calculo_diferencial_integral_func_una_var

Continuidad en intervalos cerrados y acotados 128 El caso en que f (0) = 1 y f (1) = 0 se hace de forma parecida. Ejercicio resuelto 70 Sean A = {x ∈ Q : x 0 o x2 < 2}, B = {x ∈ Q : x > 0 y x2 2}. Prueba que A = Ø, B = Ø, Q = A ∪ B y a < b para todos a ∈ A, b ∈ B. Además: a) Para cada r ∈ A hay algún s ∈ A tal que r < s. b) Para cada u ∈ B hay algún t ∈ B tal que t < u. c) No hay ningún z ∈ Q con la propiedad de que todo número racional menor que z esté en A y todo número racional mayor que z esté en B. Solución. a) Sea r ∈ A. Si r < 1 basta tomar s = 1. Supongamos, pues, que 1 r. Un número racional que sea mayor que r será de la forma r + ε donde ε es un número racional positivo. Para que dicho número esté en A deberá verificarse que (r + ε)2 < 2. Si, además ε < 1, entonces ε2 < ε, por lo que (r + ε)2 < r2 + 2rε + ε. Es por tanto suficiente que r2 + 2rε + ε 2 para lo cual basta tomar ε= 2 − r2 que 2r + 1 . Es claro dicho número ε es racional. Además, como 1 r y r2 < 2, es 0 < ε < 1 y por tanto 2 − r2 el número s=r+ 2r + 1 verifica que r<s y s ∈ A. b) Este apartado se hace de manera análoga al anterior. Dado u ∈ B hay que tratar de determinar un número racional positivo, ε tal que 0 < u − ε y (u − ε)2 2. Esta última condición es lo mismo que: u2 − 2 2uε − ε2 (1) Como queremos que 0 < ε < u, debemos tener 2uε − ε2 > ε2 > 0. Sabemos que no hay ningún número racional cuyo cuadrado sea igual a 2, en consecuencia si u ∈ B entonces u2 > 2. Puesto que 2uε > 2uε − ε2, para que se verifique (1) es suficiente que u2 − 2 2uε, para lo cual basta tomar ε= u2 − 2 se tiene con ello que el número 2u u2 − 2 t=u− 2u está en B y t < u. c) Sea z ∈ Q. Como A ∪ B = Q, deberá ser z ∈ A o z ∈ B. Si z ∈ A, sabemos, por a), que hay elementos s ∈ A con z < s. Si z ∈ B, sabemos, por b), que hay elementos t ∈ B con t < z. Concluimos así que no hay ningún z ∈ Q verificando que todo número racional menor que z está en A y todo número racional mayor que z está en B. 4.4. Continuidad en intervalos cerrados y acotados Sabemos que la imagen, f (I), de un intervalo I por una función continua f es un intervalo. También sabemos, porque hemos visto ejemplos (50), que, en general, el intervalo f (I) no es del mismo tipo que I. Aquí tiene algunos ejemplos más. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Continuidad en intervalos cerrados y acotados 129 1. f (x) = x2; f ([−1, 1[) = f (] − 1, 1]) = [0, 1]; 2. f (x) = 1/x; f (]0, 1]) = [1, +∞[; f ([1, +∞[) =]0, 1]. 3. f (x) = sen x; f (] − π, π[= [−1, 1]. Vemos así que la imagen por una función continua de un intervalo abierto, o semiabierto, o de una semirrecta, puede ser un intervalo de distinto tipo. Queda por considerar qué ocurre con los intervalos cerrados y acotados, es decir, los de la forma [a, b]. Vamos a probar que este tipo de intervalos se conservan por funciones continuas. Nótese que si f : [a, b] → R es continua, como ya sabemos que f ([a, b]) es un intervalo, para probar que f ([a, b]) es un intervalo cerrado y acotado basta probar que el intervalo f ([a, b]) tiene máximo y mínimo, es decir, que hay números u, v ∈ [a, b] tales que para todo x ∈ [a, b] es f (u) f (x) f (v), pues entonces será f ([a, b]) = [f (u), f (v)]. En la siguiente definición introducimos la terminología que se usa. 4.27 Definición. Sea f : B → R . Se dice que f está mayorada (resp. minorada) en B, si el conjunto f (B) está mayorado (resp. minorado). Se dice que f está acotada en B si el conjunto f (B) está acotado. Se dice que f alcanza en B un máximo (resp. un mínimo) absoluto si el conjunto f (B) tiene máximo (resp. mínimo), es decir, existe algún punto v ∈ B (resp. u ∈ B) tal que f (x) f (v) (resp. f (u) f (x)) para todo x ∈ B. El siguiente resultado que vamos a ver es uno de los más importantes del Análisis Matemá- tico. Su demostración no es del todo inmediata y su lectura requiere atención. El ejemplo que sigue te ayudará mucho a entenderla. 4.28 Ejemplo. Puedes considerar la gráfica de una función como el perfil de una cadena de montañas con sus cumbres y valles alternándose. Supongamos que iluminamos la gráfica desde la izquierda con un haz de luz de rayos paralelos al eje de abscisas tal como se indica en la figura (4.3). Algunos puntos de las montañas quedarán expuestos a la luz y otros quedarán en sombra. Se entiende que los valles quedan en la sombra. En la figura he representado en trazo más grueso los puntos de luz. La condición que debe cumplir un punto (x, f (x)) para ser un punto de luz es que a la izquierda de x la función tome valores más pequeños que f (x), es decir, (x, f (x)) es un punto de luz si para todo t ∈ [a, x] es f (t) f (x). Cuando esta condición se verifica diremos también que x es un punto de luz para f . Observa que el máximo de la función se alcanza en un punto c que, por supuesto, es un punto de luz para f pero que es el último punto de luz para f , porque a la derecha de c la función no puede tomar valores mayores que f (c). Esta idea es la que vamos a seguir en la demostración del siguiente teorema. 4.29 Teorema (Teorema de Weierstrass). Toda función continua en un intervalo cerrado y acotado alcanza en dicho intervalo un máximo y un mínimo absolutos. Demostración. Sea f : [a, b] → R una función continua en [a, b]. Queremos probar que hay algún punto c ∈ [a, b] en el que f alcanza un máximo absoluto. Según hemos visto en el ejemplo anterior, el punto c debe ser el último punto de luz para f . Esto lleva a considerar el conjunto de todos los puntos x ∈ [a, b] que son puntos de luz para f . E = x ∈ [a, b] : f (t) f (x) para todo t ∈ [a, x] (4.13) Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Continuidad en intervalos cerrados y acotados 130 (x, f (x)) a λv cv b Figura 4.3. Visualización de la demostración del teorema de Weierstrass En la figura (4.3) he representado el conjunto E con trazo grueso sobre el eje de abscisas. Observa que, en la figura, E es una unión de intervalos. La idea siguiente es considerar el máximo de E. Pero no sabemos a priori que E tenga máximo, por eso lo que hacemos es considerar el supremo de E. Lo que está claro es que el conjunto E no es vacío porque a ∈ E. Además, por su misma definición, es E ⊂ [a, b]. Por tanto, E está acotado. La propiedad del supremo garantiza la existencia de un mínimo mayorante de E, es decir, del supremo de E. Sea, pues, c = sup(E). La intuición nos dice que el punto c así definido cumple lo que queremos, pero hay que probarlo. En primer lugar, como a ∈ E y b es un mayorante de E, tenemos que a c b, esto es, c ∈ [a, b]. Empezaremos probando que c ∈ E. Si c = a nada hay que probar porque a ∈ E. Supondre- mos que a < c b. Sea u ∈ [a, b] tal que u < c. Probaremos que no puede ser f (c) < f (u). Si así fuera, llamando g(x) = f (u) − f (x); pon la continuidad de f y el teorema de conservación del signo, tiene que haber un número δ > 0 tal que u < c − δ y para todo z ∈]c − δ, c] se cumpla que g(z) > 0, es decir f (z) < f (u). Por ser c el mínimo mayorante de E, tiene que haber algún z0 ∈]c − δ, c] ∩ E. Tenemos entonces que f (z0) < f (u) y, como z0 ∈ E y a u < z0, deberá ser f (u) f (z0), lo que nos lleva a que f (z0) < f (u) f (z0) y, por tanto, f (z0) < f (z0), lo cual es claramente contradictorio. Concluimos que f (u) f (c). Como esto es cierto para todo u ∈ [a, b] tal que u c, resulta que c ∈ E. Probaremos ahora que f (x) f (c) para todo x ∈ [a, b]. Como c ∈ E, para todo x ∈ [a, c] es f (x) f (c). Por tanto, en el caso de que fuera c = b nada nuevo habría que probar. Consideremos que a c < b, en cuyo caso debemos probar que si c < v b entonces f (v) f (c). Observa que cada punto v ∈]c, b] es un punto de sombra de f y, por eso, tiene que haber puntos anteriores a él en los que f tome un valor mayor que f (v), entre estos puntos tiene que haber puntos de luz. La idea ahora va a ser asociar a cada punto v ∈]c, b] un punto de luz λv ∈ E, tal que f (v) f (λv). Esta es la parte más técnica de la demostración. En la figura (4.3) he representado un punto v y su correspondiente λv. En lo que sigue consideramos un punto v ∈]c, b] fijo. Notemos que como c < v b, entonces v ∈ E por lo que tiene que haber algún z ∈ [a, v[ tal que f (v) < f (z). Se trata de Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Continuidad en intervalos cerrados y acotados 131 “cazar” al menor de tales z. Consideramos para ello el conjunto Av = z ∈ [a, b] : f (v) f (z) Definamos λv = ´ınf(Av). Por la observación antes hecha, tenemos que a λv < v. Queremos probar que λv ∈ Av, es decir que f (v) f (λv). Para ello razonamos como antes para probar que la desigualdad f (λv) < f (v) lleva a contradicción. En efecto, si fuera f (λv) < f (v), llamando h(x) = f (v) − f (x); por la continuidad de f y el teorema de conservación del signo, tiene que haber un número δ > 0 tal que λv + δ b, y para todo z ∈ [λv, λv + δ[ se cumpla que h(z) > 0, es decir f (z) < f (v). Por ser λv el máximo minorante de Av, tiene que haber algún z0 ∈ [λv, λv + δ[∩Av. Tenemos entonces que f (z0) < f (v) y, como z0 ∈ Av deberá ser f (v) f (z0), lo que nos lleva a que f (z0) < f (v) f (z0) y, por tanto, f (z0) < f (z0), lo cual es claramente contradictorio. Concluimos que f (v) f (λv). Deducimos ahora fácilmente que λv ∈ E. En efecto, si t ∈ [a, λv[ entonces t ∈ Av, es decir, f (t) < f (v) y como f (v) f (λv), resulta que f (t) < f (λv). En consecuencia, λv ∈ E y, por tanto λv c. Finalmente, como c ∈ E, concluimos que f (v) f (λv) f (c). La consideración de la función −f prueba que también f alcanza un mínimo absoluto en [a, b]. Queda así demostrado el teorema. Siempre que leas la demostración de un teorema debes fijarte dónde y cómo se usan todas y cada una de las hipótesis. ¿Dónde se ha usado en la demostración anterior que el intervalo [a, b] es cerrado y acotado? Si no lo sabes vuelve a leerla y fíjate bien. Alternativamente, intenta repetir la demostración sustituyendo [a, b] por ]a, b] o [a, b[ y fíjate hasta dónde puedes llegar. Te ayudaré un poco. Observa que el conjunto de los puntos de luz de una función creciente en un intervalo I es el propio I. ¿Y si la función es decreciente? Al igual que el teorema de Bolzano, el teorema de Weierstrass es un teorema de existencia. Su demostración no proporciona un método de cálculo del máximo o mínimo absolutos de una función. En el Capítulo dedicado a derivadas veremos técnicas eficaces para dicho cálculo. Con frecuencia, lo que interesa del teorema de Weierstrass es una consecuencia inmediata del mismo que se recoge en el siguiente corolario. 4.30 Corolario. Toda función continua en un intervalo cerrado y acotado está acotada en dicho intervalo. Veamos una aplicación del teorema de Weierstrass. Se llama coeficiente líder de una fun- ción polinómica al coeficiente de la mayor potencia de la variable. Seguramente sabes que una parábola cuyo coeficiente líder es positivo (lo que suele llamarse “una parábola con los cuernos para arriba”) tiene un mínimo absoluto en R, y si el coeficiente líder es negativo (lo que suele llamarse “una parábola con los cuernos para abajo”) tiene un máximo absoluto en R. Este com- portamiento no es exclusivo de las parábolas y se puede generalizar a toda función polinómica de grado par. La idea de la demostración es sencilla. Un polinomio de grado par es muy grande cuando el valor absoluto de x es grande, por tanto para encontrar el mínimo podemos buscarlo en un intervalo cerrado y acotado. 4.31 Proposición. Una función polinómica de grado par cuyo coeficiente líder es positivo alcanza un mínimo absoluto en R y si el coeficiente líder es negativo alcanza un máximo absoluto en R. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Ejercicios propuestos 132 Demostración. Sea P (x) = c0 + c1x + c2x2 + · · · + cn−1xn−1 + cnxn una función polinómica de grado par n 2. Podemos suponer que cn > 0 y probaremos que P alcanza un mínimo absoluto en R. Razonando exactamente igual que en el corolario (4.22), probamos (4.8) que hay un número K 1 tal que para |x| K es: P (x) cn > 0 (4.14) xn 2 Pongamos en lo que sigue α = cn . Como n es par, se tiene que xn > 0 para todo x = 0. 2 Además, como K 1, para |x| K es |x|n |x| por tanto: P (x) αxn = α|x|n α|x| (|x| K) Haciendo ahora M = ma´x {K, |P (0)|/α}, tenemos que para |x| M es P (x) α|x| αM La razón de elegir M en la forma que lo hemos hecho, es porque ahora podemos asegurar que αM |P (0)|. En el intervalo [−M, M ] la función P (x) alcanza, en virtud del teorema de Weierstrass, un mínimo absoluto en algún punto c ∈ [−M, M ]. Si ahora x es un número real podemos considerar dos posibilidades: • x ∈ [−M, M ] en cuyo caso será P (x) P (c). • x ∈ [−M, M ], esto es |x| > M , en cuyo caso P (x) αM |P (0)| P (0) P (c). En cualquier caso resulta que P (x) P (c), lo que prueba que P alcanza en c un mínimo absoluto en R. 4.4.1. Ejercicios propuestos 152. Sea f : [a, b] → R continua. Supongamos que para cada x ∈ [a, b] hay algún y ∈ [a, b] 2 tal que |f (y)| 10 |f (x)|. Prueba que f se anula en algún punto de [a, b]. 153. Sea f : [a, b] → R continua. Prueba que la función g : [a, b] → R dada para todo x ∈ [a, b] por g(x) = ma´x f ([a, x]), es continua. 154. Sea f : [a, b] → R continua, pongamos M = ma´x f ([a, b]), m = m´ın f ([a, b]) y su- pongamos que f (a) = f (b) y que m < f (a) < M . Prueba que f toma todo valor de [f (a), M [∪]m, f (a)] en al menos dos puntos de [a, b]. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Ejercicios resueltos 133 4.4.2. Ejercicios resueltos ¡Antes de ver la solución de un ejercicio debes intentar resolverlo! Ejercicio resuelto 71 Sea f : [a, b] → R continua. Prueba que la función g : [a, b] → R da- da para todo x ∈ [a, b] por g(x) = ma´x f ([a, x]), es continua. Solución. La función g es claramente creciente en [a, b]. Para probar que es continua es suficiente, por el teorema (4.23), probar que su imagen es un intervalo. Sea M = ma´x f ([a, b]). Probaremos que g[a, b] = [f (a), M ]. Para ello sea u ∈]f (a), M [ y sea tu = sup {x ∈ [a, b] : f (s) u para todo s ∈ [a, x]}. Entonces f (tu) = u y tam- bién g(tu) = u. Los detalles que faltan debes completarlos tú. 4.5. Límite funcional Sean I un intervalo, a un punto de I, y f una función definida en I \\{a}. Naturalmente, como f no está definida en a no tiene sentido hablar de la continuidad de f en a. Sin embargo, podemos preguntarnos ¿es posible encontrar un número L ∈ R tal que definiendo f (a) = L, la nueva función así obtenida sea continua en a? Para ello el número L tendría que cumplir la siguiente propiedad: ∀ε ∈ R+ ∃ δ ∈ R+ : 0 < |x − a| < δ −→ |f (x) − L| < ε (4.15) x∈I La condición “0 < |x−a|” se pone para excluir la posibilidad de hacer x = a en la desigualdad |x − a| < δ, lo cual es obligado porque la función f no está definida en a. Podemos modificar un poco la situación anterior, suponiendo ahora que f está definida en todo el intervalo I pero no es continua en a . En este caso queremos cambiar el valor de f en a , es decir, encontrar, si es posible, un número L ∈ R tal que definiendo el valor de f en a igual a L, la nueva función así obtenida sea continua en a . La condición que tiene que cumplir dicho número L es exactamente la misma de antes (4.15). Nótese que ahora la condición “0 < |x − a|” es obligada porque aunque nuestra función f está definida en a, el valor que toma en a no es “el apropiado”. Observa que el valor que f tiene en a no interviene para nada en la condición (4.15). En los dos casos considerados, la condición obtenida (4.15) es la misma con independencia del hecho de que f esté o no definida en a, y, en caso de estarlo, del posible valor que f pueda tener en a. Por ello, en lo que sigue consideraremos la siguiente situación. Notación. En adelante, representaremos por I un intervalo; a será un punto de I, y f será una función que supondremos definida en I \\{a} sin excluir la posibilidad de que dicha función pueda estar definida en todo el intervalo I lo cual, para nuestros propósitos actuales, carece de importancia. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Límites laterales de una función en un punto 134 4.32 Definición. Se dice que f tiene límite en el punto a si existe un número L ∈ R tal que se verifica lo siguiente: ∀ε ∈ R+ ∃ δ ∈ R+ : 0 < |x − a| < δ −→ |f (x) − L| < ε (4.16) x∈I Dicho número se llama límite de f en a y escribimos l´ım f (x) = L . x→a Observa que la existencia del límite es independiente de que f esté o no definida en a y, en caso de estarlo, del valor que f pueda tener en a. También debe advertirse que en la definición de la igualdad l´ım f (x) = L , sólo intervienen desigualdades. x→a Es fácil probar que la condición (4.16) no puede ser satisfecha por dos números distintos, es decir, el límite de una función en un punto, si existe, es único. Una consecuencia inmediata de la definición dada de límite y de la definición de continuidad (4.1), es el siguiente resultado. 4.33 Proposición. Sea f : I → R una función definida en un intervalo y sea a ∈ I. Equivalen las afirmaciones siguientes: i) f es continua en a. ii) l´ım f (x) = f (a). x→a 4.5.1. Límites laterales de una función en un punto En la recta real es posible distinguir si nos acercamos “por la derecha” o “por la izquierda” a un punto. Ello conduce de forma natural a la consideración de los límites laterales que pasamos a definir. 4.34 Definición. • Supongamos que el conjunto {x ∈ I : a < x} no es vacío. En tal caso, se dice que f tiene límite por la derecha en a, si existe un número α ∈ R tal que se verifica lo siguiente: ∀ε ∈ R+ ∃ δ ∈ R+ : a<x<a+δ −→ |f (x) − α| < ε (4.17) x∈I Dicho número se llama límite por la derecha de f en a y, simbólicamente, escribimos xl´ı→ma f (x) = α . x>a • Supongamos que el conjunto {x ∈ I : x < a} no es vacío. En tal caso, se dice que f tiene límite por la izquierda en a, si existe un número β ∈ R tal que se verifica lo siguiente: ∀ε ∈ R+ ∃ δ ∈ R+ : a−δ < x < a −→ |f (x) − β| < ε (4.18) x∈I Dicho número se llama límite por la izquierda de f en a y, simbólicamente, escribimos xl´ı→ma f (x) = β . x<a Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Límites infinitos 135 Observación. Es importante advertir que los límites laterales son casos particulares del concep- to general de límite de una función en un punto dado en la definición (4.32). Para convencerte de ello, basta que consideres la restricción de la función f a la derecha del punto a, esto es, la restricción de f al intervalo {x ∈ I : x > a}, en cuyo caso el límite por la derecha de f en a no es otra cosa que el límite en el punto a (en el sentido de la definición (4.32)) de dicha restricción. Igual pasa con el límite por la izquierda. En particular, es claro que: • Si a = sup I , entonces l´ım f (x) = xl´ı→ma f (x). x→a x<a • Si a = ´ınf I , entonces l´ım f (x) = xl´ı→ma f (x). x→a x>a Por ello, cualquier resultado referente a límites de funciones en un punto puede ser convenien- temente enunciado para límites laterales sin más que considerar la restricción de la función a la derecha o a la izquierda del punto en cuestión. La siguiente proposición también es consecuencia inmediata de las definiciones dadas. 4.35 Proposición. Si a no es un extremo de I, entonces f tiene límite en a si, y sólo si, los dos límites laterales de f en a existen y son iguales, en cuyo su valor común coincide con el valor del límite de f en a. l´ım f (x) = L ⇐⇒ xl´ı→ma f (x) = xl´ı→ma f (x) = L (4.19) x→a x<a x>a Notación. En la mayoría de los textos de Cálculo los límites laterales por la derecha y por la izquierda suelen representarse con las siguientes notaciones l´ım f (x), l´ım f (x) x→a+ x→a− El problema es que hay estudiantes que leen los símbolos y no leen lo que significan, y terminan interpretando que a+ y a− son números. Claro está que no son números, son símbolos que significan que en los límites l´ım f (x) y l´ım f (x) se consideran solamente los valores de x→a+ x→a− la variable x que son respectivamente mayores o menores que a. Esa es la forma correcta de leer esos símbolos. Ya he advertido varias veces de la necesidad de traducir en palabras el significado de los símbolos. Lo repito una vez más: no se deben leer los símbolos sino su significado. 4.5.2. Límites infinitos 4.5.2.1. Funciones divergentes en un punto 4.36 Definición. Se dice que f es positivamente divergente en a si se verifica lo siguiente: ∀M ∈ R+ ∃ δ ∈ R+ : 0 < |x − a| < δ −→ f (x) > M (4.20) x∈I Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Límites infinitos 136 Simbólicamente, escribimos l´ım f (x) = +∞. x→a Se dice que f es positivamente divergente por la izquierda en a si se verifica lo si- guiente: ∀M ∈ R+ ∃ δ ∈ R+ : a−δ < x < a −→ f (x) > M (4.21) x∈I Simbólicamente, escribimos xl´ı→ma f (x) = +∞. x<a Se dice que f es positivamente divergente por la derecha en a si se verifica lo siguiente: ∀M ∈ R+ ∃ δ ∈ R+ : a<x<a+δ −→ f (x) > M (4.22) x∈I Simbólicamente, escribimos xl´ı→ma f (x) = +∞. x>a De forma análoga se definen los conceptos: • “f es negativamente divergente en a”. Simbólicamente l´ım f (x) = −∞. x→a • “f es negativamente divergente por la izquierda o por la derecha en a”. Simbólica- mente xl´ı→ma f (x) = −∞ xl´ı→ma f (x) = −∞ x<a x>a Gráficamente, el hecho de que una función sea divergente en un punto a, se traduce en que la recta de ecuación x = a es una asíntota vertical de su gráfica. 4.5.2.2. Límites en infinito 4.37 Definición. Sea f : I → R una función definida en un intervalo no mayorado I. Se dice que f tiene límite en +∞ si existe un número L ∈ R tal que se verifica lo siguiente: ∀ε ∈ R+ ∃ K ∈ R+ : x>K −→ |f (x) − L| < ε (4.23) x∈I Dicho número se llama límite de f en +∞ y escribimos l´ım f (x) = L. x→+∞ Análogamente se define el límite en −∞. Gráficamente, el hecho de que una función tenga límite igual a L en +∞ o en −∞, se traduce en que la recta de ecuación y = L es una asíntota horizontal de su gráfica. 4.5.2.3. Funciones divergentes en infinito 4.38 Definición. Sea f : I → R una función definida en un intervalo no mayorado I. Se dice que f es positivamente divergente en +∞ si se verifica lo siguiente: ∀M ∈ R+ ∃ K ∈ R+ : x>K −→ f (x) > M (4.24) x∈I Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Álgebra de límites 137 En cuyo caso escribimos l´ım f (x) = +∞. x→+∞ Llegados aquí, no debes tener dificultad en precisar el significado de: l´ım f (x) = −∞, l´ım f (x) = +∞, l´ım f (x) = −∞. x→+∞ x→−∞ x→−∞ 4.6. Álgebra de límites Es evidente que la existencia del límite de una función en un punto a depende solamente del comportamiento de la función en los puntos próximos al punto a, es decir, el concepto de límite, al igual que el de continuidad en un punto, es un concepto local. Para calcular un límite l´ım f (x), podemos restringir la función f a un intervalo abierto que contenga al punto a. Eso x→a es lo que se afirma en el siguiente resultado que es de comprobación inmediata. 4.39 Proposición. Sea J un intervalo abierto que contiene al punto a. Entonces se verifica que l´ım f (x) = L si, y sólo si, l´ım f|J (x) = L. x→a x→a El siguiente resultado pone de manifiesto la compatibilidad de la “operación de paso al límite” con la estructura algebraica y de orden de R. 4.40 Teorema. Supongamos que f y g tienen límite en a donde aceptamos que a puede ser un número real, o +∞, o −∞. Se verifica entonces que: i) Las funciones f + g y f g tienen límite en a y l´ım (f + g)(x) = l´ım f (x) + l´ım g(x), l´ım (f g)(x) = l´ım f (x) l´ım g(x) x→a x→a x→a x→a x→a x→a ii) Si l´ım f (x) = 0, entonces l´ım f 1 = 1 (x) l´ım f (x) . x→a x→a x→a iii) Si f (x) g(x) para todo x ∈ I, x = a, entonces l´ım f (x) l´ım g(x). x→a x→a iv) Supongamos que f (x) h(x) g(x) para todo x ∈ I, x = a y l´ım f (x) = x→a l´ım g(x) = L. Entonces se verifica que h tiene límite en a y l´ım h(x) = L. x→a x→a En el siguiente resultado se establecen condiciones que garantizan la divergencia de una suma o de un producto. 4.41 Teorema. Supongamos que f es positivamente divergente en a, l´ım f (x) = +∞, x→a donde aceptamos que a puede ser un número real, o +∞, o −∞. i) Supongamos que hay un número M ∈ R tal que g(x) M para todo x ∈ I, x = a . Entonces l´ım (f + g)(x) = +∞. M para todo x ∈ I, x = a . x→a ii) Supongamos que hay un número M > 0 tal que g(x) Entonces l´ım (f g)(x) = +∞. x→a Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Álgebra de límites 138 Observa que la condición en i) se cumple si f tiene límite en a o diverge positivamente en a; y la condición ii) se cumple si f tiene límite positivo en a o diverge positivamente en a. En el siguiente resultado se establece que el producto de una función con límite 0 por una función acotada tiene límite cero. 4.42 Teorema. Supongamos que l´ım f (x) = 0, y que hay un número M > 0 tal que x→a |g(x)| M para todo x ∈ I, x = a . Entonces l´ım (f g)(x) = 0. x→a Con frecuencia este resultado se aplica cuando la función g es alguna de las funciones seno, coseno, arcoseno, arcocoseno o arcotangente. Todas ellas son, como ya sabes, funciones acotadas. El siguiente resultado establece que la continuidad permuta con el paso al límite. Es un resultado que se usará bastante cuando estudiemos técnicas de cálculo de límites. 4.43 Teorema. Supongamos que f tiene límite en el punto a y sea L = l´ım f (x). Sea g una x→a función continua en L. Entonces se verifica que la función compuesta g ◦f tiene límite en a igual a g(L), esto es, l´ım (g ◦f )(x) = g(L). Simbólicamente: x→a l´ım (g ◦f )(x) = g( l´ım f (x)) (4.25) x→a x→a Demostración. Apoyándonos en la proposición (4.33), podemos demostrar este resultado re- duciéndolo a un resultado ya conocido de funciones continuas. Para ello basta con definir f (a) = L con lo que, usando (4.33), resulta que f (seguimos llamando f a la función así modificada) es continua en a. Ahora aplicamos el teorema (4.6) de continuidad de una compo- sición de funciones para obtener que g ◦f es continua en a y de nuevo volvemos a usar (4.33), para obtener que l´ım (g ◦f )(x) = (g ◦f )(a) = g(f (a)) = g(L) = g l´ım f (x) x→a x→a 4.44 Definición. Se dice que dos funciones f y g son asintóticamente equivalentes en un punto a∈R ∪ {+∞, −∞}, y escribimos f (x) ∼ g(x)(x → a), cuando l´ım f (x) = 1. g(x) x→a El siguiente resultado, consecuencia inmediata de la definición dada y de las propiedades de los límites funcionales ya vistas, es muy útil para calcular límites funcionales. Nos dice que para calcular el límite de un producto o de un cociente de funciones podemos sustituir una de ellas por otra asintóticamente equivalente. 4.45 Proposición. Sean f y g funciones asintóticamente equivalentes en un punto a ∈ R o bien a = +∞ o a = −∞, y h : I \\ {a} → R una función cualquiera. Se verifica que: a) l´ım f (x)h(x) = L ⇐⇒ l´ım g(x)h(x) = L. x→a x→a b) l´ım f (x)h(x) = +∞ ⇐⇒ l´ım g(x)h(x) = +∞. x→a x→a Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Límites y discontinuidades de funciones monótonas 139 4.6.1. Límites y discontinuidades de funciones monótonas El hecho de que una función sea discontinua en un punto puede deberse a causas diferentes que se consideran en la siguiente definición. 4.46 Definición (Clasificación de las discontinuidades). Sea f : I → R una función definida en un intervalo y sea a ∈ I. • Si f tiene límite en a y l´ım f (x) = f (a), se dice que f tiene en el punto a una x→a discontinuidad evitable. • Si los dos límites laterales de f en a existen y son distintos: xl´ı→ma f (x) = xl´ı→ma f (x) x<a x>a se dice que f tiene en el punto a una discontinuidad de salto. • Si alguno de los límites laterales no existe se dice que f tiene en el punto a una dis- continuidad esencial. 4.47 Definición (Continuidad por un lado). Se dice que una función f : I → R es continua por la izquierda en un punto a ∈ I si xl´ı→ma f (x) = f (a); y se dice que es continua por la derecha x<a en un punto a ∈ I si xl´ı→ma f (x) = f (a). x>a Puedes comprobar fácilmente lo que afirma el siguiente resultado sin más que hacer la gráfica de una función creciente que tenga algunas discontinuidades. No obstante, se trata de un resultado importante que se usará más adelante para estudiar la convergencia de integrales. 4.48 Teorema (Límites de una función monótona). Sea f una función creciente definida en un intervalo I. i) Para todo punto a ∈ I que no sea un extremo de I se verifica que: xl´ı→ma f (x) = sup{f (x) : x ∈ I, x < a}, xl´ı→ma f (x) = ´ınf{f (x) : x ∈ I, x > a} x<a x>a ii) Si a ∈ R ∪ {−∞} es el extremo izquierdo de I, entonces: a) Si f está minorada en I es l´ım f (x) = ´ınf{f (x) : x ∈ I \\ {a}}. x→a b) Si f no está minorada en I es l´ım f (x) = −∞. x→a iii) Si a ∈ R ∪ {+∞} es el extremo derecho de I, entonces: a) Si f está mayorada en I es l´ım f (x) = sup{f (x) : x ∈ I \\ {a}}. x→a b) Si f no está mayorada en I es l´ım f (x) = +∞. x→a Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Comportamientos asintóticos de las funciones elementales 140 Demostración. Supongamos que a ∈ I no es el extremo izquierdo de I, es decir que el conjunto {x ∈ I : x < a} no es vacío. Entonces, el conjunto B = {f (x) : x ∈ I, x < a} tampoco es vacío y, por ser f creciente, el número f (a) es un mayorante de B. Sea α = sup{f (x) : x ∈ I, x < a}. Dado ε > 0, el número α − ε no puede ser mayorante de B, es decir, tiene que haber algún punto x0 ∈ I, x0 < a tal que α − ε < f (x0). Sea δ = a − x0 > 0. Entonces para a − δ < x < a, esto es, para x0 < x < a, se verifica que α − ε < f (x0) f (x) α, lo que claramente implica que α − ε < f (x) < α + ε, es decir, |f (x) − α| < ε. Hemos probado así que xl´ı→ma f (x) = sup{f (x) : x ∈ I, x < a}. x<a Los demás casos se prueban de forma muy parecida y quedan como ejercicios. Igualmente, queda como ejercicio considerar el caso en que la función es decreciente. Como consecuencia inmediata de este resultado obtenemos el siguiente teorema. 4.49 Teorema (Discontinuidades de las funciones monótonas). Sea f una función monótona en un intervalo. Entonces: i) En los puntos del intervalo que no son extremos del mismo, f solamente puede tener discontinuidades de salto. ii) Si el intervalo tiene máximo o mínimo, f puede tener en dichos puntos discontinuidades evitables. 4.6.2. Comportamientos asintóticos de las funciones elementales 4.6.2.1. Límites de exponenciales y logaritmos Los resultados que siguen son de gran utilidad para calcular límites. Todos ellos son con- secuencia de la continuidad y crecimiento de las funciones exponencial y logaritmo naturales. 4.50 Proposición. Sea a un número real o a = +∞ o a = −∞. En los apartados b1), b2) y b3) se supone que f (x) > 0. a1) l´ım f (x) = L ⇐⇒ l´ım ef(x) = e L. x→a x→a a2) l´ım f (x) = +∞ ⇐⇒ l´ım ef(x) = +∞. x→a x→a a3) l´ım f (x) = −∞ ⇐⇒ l´ım ef(x) = 0. x→a x→a b1) l´ım f (x) = L > 0 ⇐⇒ l´ım log f (x) = log L. x→a x→a b2) l´ım f (x) = +∞ ⇐⇒ l´ım log f (x) = +∞. x→a x→a b3) l´ım f (x) = 0 ⇐⇒ l´ım log f (x) = −∞. x→a x→a El siguiente resultado, cuya justificación se verá más adelante, es de gran importancia. En él se comparan los “órdenes de crecimiento” de las funciones logaritmo, potencias y exponen- ciales, resultando lo siguiente. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Indeterminaciones en el cálculo de límites 141 • Para valores de x > 0 muy grandes, cualquier potencia del logaritmo (log x)µ (por muy grande que sea µ > 0) es muy pequeña comparada con xα para α > 0 (por muy pequeña que sea α > 0). • Para valores de x > 0 muy grandes, cualquier potencia xα (por muy grande que sea α > 0) es muy pequeña comparada con eµx para µ > 0 (por muy pequeño que sea µ > 0). 4.51 Proposición. a) l´ım |log x|µ = 0 para todos α > 0 y µ ∈ R. xα x→+∞ b) l´ım |x| α log|x| µ = 0 para todos α > 0 y µ ∈ R. x→0 c) l´ım xα = 0 para todos α > 0 y µ > 0. eµx x→+∞ Observa que los apartados a) y b) se deducen uno de otro cambiando x por 1/x. 4.7. Indeterminaciones en el cálculo de límites Frecuentemente hay que estudiar el límite de una suma o producto de dos funciones pre- cisamente cuando las reglas que hemos visto anteriormente no pueden aplicarse. Se trata de aquellos casos en que el comportamiento de las funciones f + g, f g, no está determinado por el de f y g. Por ejemplo, si sabemos que l´ım f (x) = +∞ y que l´ım g(x) = −∞, ¿qué x→a x→a podemos decir en general del comportamiento en el punto a de la función f + g? Respuesta: absolutamente nada. En consecuencia, para calcular un límite del tipo l´ım (f + g)(x) donde x→a l´ım f (x) = +∞ y l´ım g(x) = −∞ se requiere un estudio particular en cada caso. Suele x→a x→a decirse que estos límites son una indeterminación del tipo “∞−∞”. Análogamente, si sabemos que l´ım f (x) = 0 y que la función g es divergente (positi- x→a vamente o negativamente) en el punto a, ello no proporciona ninguna información sobre el comportamiento de la función f g en dicho punto. Cuando esto ocurre se dice que el límite l´ım (f g)(x) es una indeterminación del tipo “ 0 ∞”. Las indeterminaciones que aparecen x→a al estudiar el cociente de dos funciones divergentes o de dos funciones con límite cero, es decir, las llamadas indeterminaciones de los tipos “∞/∞”, “ 0/0”, pueden reducirse a una indeterminación del tipo “ 0 ∞”. Todavía hemos de considerar nuevas indeterminaciones que van a surgir al considerar fun- ciones de la forma f (x) g(x) donde f es una función que toma valores positivos y g es una función cualquiera. Puesto que: f (x) g(x) = exp(g(x) log f (x)) teniendo en cuenta los resultados anteriores, el límite l´ım f (x) g(x) vendrá determinado por el x→a límite l´ım g(x) log f (x), el cual, a su vez, está determinado en todos los casos por el compor- x→a tamiento en el punto a de las funciones f y g, excepto cuando dicho límite es una indetermi- nación del tipo “ 0 ∞”, lo que ocurre en los siguientes casos: Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Ejercicios propuestos 142 • l´ım f (x) = 1, l´ım |g(x)| = +∞ (indeterminación “1∞”) x→a x→a • l´ım f (x) = +∞, l´ım g(x) = 0 (indeterminación “∞0”) x→a x→a • l´ım f (x) = 0, l´ım g(x) = 0 (indeterminación “ 0 0\") x→a x→a Ni que decir tiene que no hay técnicas generales que permitan “resolver las indeterminacio- nes”, ¡no serían tales si las hubiera! Es por ello que, los límites indeterminados, requieren un estudio particular en cada caso. Es un hecho que la mayoría de los límites que tienen algún interés matemático son límites indeterminados. Cuando estudiemos las derivadas obtendremos técnicas que en muchos casos permitirán calcular con comodidad dichos límites. 4.7.1. Ejercicios propuestos 155. Sea a ∈ R ∪ {+∞, −∞}. Prueba que l´ım |f (x)| = +∞ ⇐⇒ l´ım 1 = 0 (4.26) |f (x)| x→a x→a Particulariza este resultado para los casos en que f solamente toma valores positivos o negativos. 156. Sea L ∈ R ∪ {+∞, −∞}. Prueba que l´ım f (x) = L ⇐⇒ l´ım f (1/x) = L (4.27) ⇐⇒ (4.28) x→0 x→+∞ x>0 l´ım f (1/x) = L l´ım f (x) = L x→−∞ x→0 x<0 157. Sea f :]0, 1[→ R la función dada para x ∈]0, 1[ por: f (x) = 2 + 1 1) . x x(x − Prueba que l´ım f (x) = +∞ y que l´ım f (x) = −∞. Deduce que la imagen de f es x→0 x→1 todo R. 158. Calcula la imagen de la función f :] − 1, 1[→ R, definida por f (x) = x (1 − x2)−1/2, ∀x ∈] − 1, 1[. 159. Sea f : R → R la función definida por f (x) = e− 1 , ∀x ∈ R∗, f (0) = 0. Justifica que x2 f es continua en R, estrictamente decreciente en R− y estrictamente creciente en R+. Calcula la imagen de f . Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Ejercicios propuestos 143 160. Sean f, g : R → R las funciones definidas por   1 , si x = 0 ex , si x < 0 f (x) = g(x) =  x , si 0 x < 1 1+ e1/x √x , si x 1 5x 0 , si x = 0 Estudia la continuidad de f y g en todo punto de R y la existencia de límites de f y g en +∞ y en −∞. 161. Sea f : R → R la función definida por f (0) = 0 y f (x) = sen(x) sen(1/x), para todo x = 0. Estudia la continuidad de f y la existencia de límites en +∞ y en −∞. 162. Sea f : [0, 1[→ R una función continua. Definamos g(x) = f (x − E(x)) para todo x ∈ R. Prueba que la función g, así definida, es continua si, y sólo si, l´ım f (x) = f (0). x→1 Supuesto que esta condición se cumple, y que f no es constante, definamos h : R → R por h(x) = g(1/x) si x = 0, y h(0) = f (0). Justifica que h es continua y acotada en R∗. Calcula la imagen por h de un intervalo de la forma ]0, r[ donde 0 < r < 1. Deduce que h no tiene límite por la izquierda ni por la derecha en 0 y que la imagen por h de todo intervalo es también un intervalo. 163. Sea α ∈ R y f : R+o → R la función definida por f (0) = 0 y: f (x) = xα sen 1 , (x > 0). x Estudia la continuidad de f según los valores de α. 164. Supongamos que a < 0 < b. Estudia el comportamiento en cero de las funciones f, g : R∗ → R dadas para todo x = 0 por : f (x) = arc tg b − arc tg a , g(x) = xf (x). x x 165. Determina la imagen de la función f : R∗ → R dada para todo x = 0 por f (x) = arc tg(log |x|). 166. Sea f : R \\ {1} → R la función dada para todo x = 1 por f (x) = arc tg 1 + x . 1 − x Estudia la continuidad de f y su comportamiento en el punto 1, en +∞ y en −∞. Calcula la imagen de f . 167. La ecuación ax2 + 2x − 1 = 0 donde a > −1, a = 0 tiene dos soluciones que representaremos por λ(a) y por µ(a). Calcula los límites de dichas funciones en a = 0 y en a = −1. 168. Estudia los límites en +∞ y en −∞ de: a) Una función polinómica. b) Una función racional. 169. Sea f : R → R una función continua no nula tal que l´ım f (x) = 0 y l´ım f (x) = x→−∞ x→+∞ 0. Prueba que si f toma algún valor positivo entonces f alcanza un máximo absoluto en R. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Ejercicios resueltos 144 4.7.2. Ejercicios resueltos ¡Antes de ver la solución de un ejercicio debes intentar resolverlo! Ejercicio resuelto 72 Sea a ∈ R ∪ {+∞, −∞}. Prueba que l´ım |f (x)| = 0 ⇐⇒ l´ım 1 = +∞ |f (x)| x→a x→a Particulariza este resultado para los casos en que f solamente toma valores positivos o negativos. Solución. Basta advertir que |f (x)| < ε ⇐⇒ 1 > 1 |f (x)| ε y notar que ε es positivo y muy pequeño equivale a que 1/ε sea positivo y muy grande. En particular, tenemos que f (x) > 0 ∧ l´ım f (x) = 0 ⇐⇒ l´ım 1 = +∞ (4.29) f (x) (4.30) x→a x→a f (x) < 0 ∧ l´ım f (x) = 0 ⇐⇒ l´ım 1 = −∞ x→a x→a f (x) Ejercicio resuelto 73 Sea L ∈ R ∪ {+∞, −∞}. Prueba que l´ım f (x) = L ⇐⇒ l´ım f (1/x) = L ⇐⇒ x→0 x→+∞ x>0 l´ım f (1/x) = L l´ım f (x) = L x→−∞ x→0 x<0 Solución. Basta advertir que 0 < x < δ ⇐⇒ 1 > 1 , −δ < x < 0 ⇐⇒ 1 < − 1 x δ x δ y notar que δ es positivo y muy pequeño equivale a que 1/δ sea positivo y muy grande. Ejercicio resuelto 74 Sea f :]0, 1[→ R la función dada para x ∈]0, 1[ por: f (x) = 2 + 1 1) . x x(x − Prueba que l´ım f (x) = +∞ y que l´ım f (x) = −∞. Deduce que la imagen de f es x→0 x→1 todo R. Solución. Solamente debemos considerar valores de x en el intervalo ]0, 1[ que es donde está definida f . Teniendo en cuenta que por (4.29), y (4.30) es: l´ım 2 = +∞, l´ım 1 1) = −∞, l´ım 1 1) = −∞ x x(x − x(x − x→0 x→0 x→1 x>0 x>0 x<1 Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Ejercicios resueltos 145 Deducimos que l´ım f (x) = −∞ y que en x = 0 el límite pedido es una indeterminación x→1 del tipo ∞ − ∞. Pero eso se debe solamente a la forma en que está escrita f . Basta hacer la suma indicada: 2 1 2x − 1 x x(x − 1) x(x − 1) f (x) = + = para darse cuenta, por (4.29) pues f (x) > 0 para 0 < x < 1/2, que l´ım f (x) = +∞. x→0 Finalmente, como f es continua en ]0, 1[, el teorema de Bolzano nos dice que la imagen de f , el conjunto f (]0, 1[), es un intervalo. Como f diverge positivamente en 0 y diverge negativamente en 1, deducimos que f no está mayorada ni minorada en ]0, 1[, concluimos que f (]0, 1[) es un intervalo no mayorado ni minorado, esto es, f (]0, 1[) = R. Comentario. Observa que los límites que hemos calculado de f son realmente límites laterales pues nos dicen que f está definida en ]0, 1[. La cosa cambia mucho si consi- deramos que f está definida en su dominio natural que es el conjunto A = R \\ {0, 1}, que es una unión de tres intervalos. En ese caso f no tiene, por supuesto, límite en 0; ni tampoco diverge positivamente ni negativamente en 0 pues el límite de f por la izquierda en 0 es −∞. Análogamente, el límite de f por la derecha en 1 es +∞. Ejercicio resuelto 75 Sea f : [0, 1[→ R continua. Definamos g(x) = f (x − E(x)) para to- do x ∈ R. Prueba que la función g, así definida, es continua si, y sólo si, l´ım f (x) = f (0). x→1 Supuesto que esta condición se cumple, y que f no es constante, definamos h : R → R por h(x) = g(1/x) si x = 0, y h(0) = f (0). Justifica que h es continua y acotada en R∗. Calcula la imagen por h de un intervalo de la forma ]0, r[ donde 0 < r < 1. Deduce que h no tiene límite por la izquierda ni por la derecha en 0 y que la imagen por h de todo intervalo es también un intervalo. Solución. La función g es periódica con período igual a 1 porque: g(x + 1) = f (x + 1 − E(x + 1)) = f (x − E(x)) = g(x). También es claro que g(x) = f (x) para todo x ∈ [0, 1[. Por la propiedad local de la continuidad, como f es continua en ]0, 1[, deducimos que g es continua en ]0, 1[. Por la periodicidad de g, se sigue que g es continua en R \\ Z. Para estudiar la continuidad de g en los enteros, es suficiente estudiarla en 0. Por la continuidad de f en 0, tenemos que l´ım g(x) = l´ım f (x) = f (0). Ahora, por la periodicidad de g: x→0 x→0 x>0 x>0 l´ım g(x) = l´ım g(1 + x) = l´ım g(x) = l´ım f (x) = l´ım f (x). x→0 x→0 x→1 x→1 x→1 x<0 x<0 x<1 x<1 Deducimos que g es continua en 0 si, y sólo si, l´ım g(x) = l´ım f (x) = g(0) = f (0). x→0 x→1 x<0 La continuidad de h en R∗ es consecuencia de la propiedad local de la continuidad y de que la composición de funciones continuas es continua. Dado r ∈]0, 1[, sea x ∈ [0, 1[. 1 Podemos tomar un número n∈N tal que z = n + x ∈]0, r[. Tenemos que: h(z) = f (n + x − E(n + x)) = f (x − E(x)) = g(x). Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Ejercicios resueltos 146 Por tanto h(]0, r[) ⊃ g([0, 1[) = g([0, 1]). Como g es continua, el conjunto g([0, 1]) es un intervalo cerrado y acotado, en particular está acotado. Por la periodicidad de g es g(R) = g([0, 1]). Deducimos que h(R) = g(R) = g([0, 1]) es un conjunto acotado, es decir, h es una función acotada. De lo anterior deducimos que h(]0, r[) = g([0, 1]) para todo r ∈]0, 1[ (y, como g no es constante, g[0, 1] es un intervalo no reducido a un punto), es evidente que h no tiene límite por la derecha en 0. De forma parecida se justifica que h no tiene límite por la izquierda en 0. Si I es un intervalo no reducido a un punto. Si I no contiene a 0, entonces debe ser I ⊂ R+ o bien I ⊂ R− y, como h es continua en R∗, se sigue que h es continua en I y, por tanto h(I) es un intervalo. Si el intervalo I contiene a 0, entonces I debe contener un intervalo de la forma ]0, r[ o un intervalo de la forma ] − r, 0[ para algún r ∈]0, 1[. En cualquier caso, se sigue por lo antes visto que h(I) = g([0, 1]) y, por tanto, h(I) es un intervalo. Ejercicio resuelto 76 Sea α ∈ R y f : R+o → R la función definida por f (0) = 0 y: f (x) = xα sen 1 , (x > 0). x Estudia la continuidad de f según los valores de α. Solución. Observa que la función solamente está definida para x 0. La razón de esto es que para x < 0 la potencia xα no siempre está definida. Para hacer este ejercicio debes recordar que la función seno está acotada: |sen z| 1 para todo z ∈ R. Por tanto, cualquiera sea x = 0 se tiene que |sen(1/x)| 1. Debes tener también en cuenta que la función seno toma todos los valores del intervalo [−1, 1] en cualquier intervalo de longitud mayor que 2π. Si α > 0, la función h(x) = xα, definida para x 0, tiene límite en 0 igual a 0. Con- cluimos que l´ım f (x) = 0 porque f (x) = h(x) sen(1/x) es producto de una función x→0 acotada por otra con límite 0.Por tanto, f es continua en 0. Consideremos que α = 0, en cuyo caso, f (x) = sen(1/x). Esta función toma todos los valores del intervalo [−1, 1] en cualquier intervalo de la forma ]0, δ[ cualquiera sea δ > 0. Pues tomando a > 1/δ tenemos que 1 ∈]0, δ[ y, en consecuencia f (]0, δ[) ⊃ a sen(]a, +∞[) ⊃ [−1, 1]. Se deduce enseguida que f (x) = sen(1/x) no tiene límite en 0, es decir, tiene una discontinuidad esencial en 0. Es imposible representar gráficamente esta función porque su gráfica contiene infinitas ondas de amplitud cada vez más pequeña que se van aplastando sobre el eje de ordenadas. Observa que la imagen por la función sen(1/x) del intervalo 1 , 1 es el 2nπ−π/2 2nπ+π/2 intervalo [−1, 1]. La gráfica siguiente puede ser útil para que imagines cómo es la gráfica de f (x) = sen(1/x) para x cerca de 0. Para valores de α < 0 la cosa es todavía peor. Te lo dejo para que lo acabes tú. Ejercicio resuelto 77 Supongamos que a < 0 < b. Estudia el comportamiento en cero de las funciones f, g : R∗ → R dadas para todo x = 0 por : f (x) = arc tg b − arc tg a , g(x) = xf (x). x x Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Ejercicios resueltos 147 −1 0 1 Figura 4.4. La función f (x) = sen(1/x) Solución. En este ejercicio (y en los siguientes) debes tener en cuenta que: l´ım arc tg x = − π , l´ım arc tg x = π , − π < arc tg x < π 2 2 2 2 x→−∞ x→+∞ Tenemos que: l´ım a = +∞, l´ım b = −∞, l´ım a = −∞, l´ım b = +∞ x x x x x→0 x→0 x→0 x→0 x<0 x<0 x>0 x>0 Deducimos que: l´ım f (x) = − π − π = −π, l´ım f (x) = π + π = π 2 2 2 2 x→0 x→0 x<0 x>0 Observa que la función f está acotada: |f (x)| arc tg b + arc tg b π + π = π x x 2 2 Por tanto g(x) es el producto de un función con límite 0 por una función acotada. Se sigue que l´ım g(x) = 0. Eso es todo lo que podemos decir del comportamiento de f y g x→0 en 0. No tiene sentido considerar su continuidad en 0 porque no están definidas en 0. Si se define f (0) = π y g(0) = 0, entonces f tiene una discontinuidad de salto en 0 y es continua por la derecha en 0, y g es continua en 0. Ejercicio resuelto 78 Estudia los límites en +∞ y en −∞ de: a) Una función polinómica. b) Una función racional. Solución. a) Sea P (x) = c0 + c1x + c2x2 + · · · + cn−1xn−1 + cnxn Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Ejercicios resueltos 148 una función polinómica de grado par n 1. Podemos suponer que cn > 0. Usando la desigualdad (4.8) del corolario (4.22), sabemos que hay un número K 1 tal que para |x| K es: P (x) cn > 0 (1) xn 2 cn Pongamos en lo que sigue α = 2 . Supongamos que n es par. Entonces xn => 0 y, por tanto xn = |x|n para todo x = 0. Deducimos de (1) que para todo x = 0 es P (x) α|x|n. Como l´ım |x|n = l´ım |x|n = +∞, deducimos, por la desigualdad anterior, que x→−∞ x→+∞ l´ım P (x) = l´ım P (x) = +∞. x→−∞ x→+∞ Supongamos que n es impar. Entonces para x < 0 se tiene que xn < 0. De la desigualdad (1) deducimos que P (x) αxn (x > 0), P (x) αxn (x < 0). Como l´ım xn = −∞ y l´ım xn = +∞, deducimos, por las desigualdades anterio- x→−∞ x→+∞ res, que l´ım P (x) = −∞, l´ım P (x) = +∞. x→−∞ x→+∞ El caso en que cn < 0 se deduce de lo anterior sin más que considerar el polinomio −P (x). Otra forma, quizás mejor, de obtener estos resultados es como sigue. De la igualdad P (x) = cn + cn−1 + cn−2 +···+ c1 + c0 xn x x2 xn−1 xn obtenida dividiendo el polinomio P (x) por xn, se sigue enseguida que l´ım P (x) = l´ım P (x) = cn xn xn x→−∞ x→+∞ De aquí se sigue que las funciones P (x) y cnxn son asintóticamente equivalentes para x → −∞ y para x → +∞, de donde se deducen de forma inmediata los mismos resultados antes obtenidos. b) Supongamos ahora que Q(x) = bmxm + bm−1xm−1 + · · · + b1x + b0 es otra función polinómica de grado m con bm > 0. Para estudiar los límites en ±∞ de la función racio- P (x) nal f (x) = Q(x) podemos sustituir P y Q por funciones asintóticamente equivalentes a ellas en ±∞. Por lo antes visto, tenemos que P (x) ∼ cnxn y Q(x) ∼ bmxm para x → ±∞, por tanto: f (x) = P (x) ∼ cnxn = cn xn−m (x → ±∞) Q(x) bmxm bm Deducimos que:   +∞, n>m n − m par   n>m n − m impar  +∞, n>m P (x) −∞, n=m P (x)  cn n=m l´ım Q(x) = cn l´ım Q(x) = bm , m>n bm , m>n x→−∞ x→+∞ 0, 0, Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

5Cap´ıtulo Nu´ meros y l´ımites. El infinito matema´ tico Even as the finite encloses an infinite series And in the unlimited limits appear, So the soul of immensity dwells in minuta And in the narrowest limits, no limits inhere What joy to discern the minute in infinity! The vast to perceive in the small, what Divinity! Jakob Bernoulli 5.1. Introducción Las confusas formulaciones iniciales, a finales del siglo XVII, de los conceptos principales del Cálculo, tienen un acentuado contenido geométrico o mecánico. Muy lentamente, a lo largo de los siglos XVIII y XIX, van evolucionando hasta que llegan finalmente a expresarse por medio del álgebra de desigualdades, ya totalmente desprovistas de referencias geométricas o mecánicas. Este largo proceso se conoce con el nombre de Aritmetización del Análisis, y alcanza su máximo empuje y desarrollo en el siglo XIX gracias a los trabajos de Bolzano, Cauchy, Dedekind, Weierstrass y Cantor. Bajo su influencia, el Cálculo, que durante el siglo XVIII no era más que una colección de técnicas para resolver los más variados problemas, se fue transformando a lo largo del siglo XIX en una teoría científica sólidamente fundamentada y rigurosa en sus métodos: el Análisis Matemático. En el Capítulo anterior hemos estudiado dos conceptos fundamentales del Análisis Mate- mático: el de número real y el de límite funcional. Creo que es muy instructivo que conozcas algunas etapas del camino que condujo a su formulación actual, pues así podrás apreciarlos y entenderlos mejor. Las ideas que siguen están ampliamente desarrolladas y expuestas con claridad en los libros 149

Evolución del concepto de número 150 de Burton [3], Giovanni Ferraro [6] y Gert Schubring [14]. Así mismo las páginas de Wikipedia dedicadas al concepto de número y de número negativo y, muy especialmente, la página del profesor John L. Bell, contienen información muy interesante. 5.2. Evolución del concepto de número Si te pregunto “¿qué es para ti el número 5?” Me dirás: está claro, es justamente aquello que tienen en común todos los grupos de objetos que pueden contarse con los dedos de una mano. Sabes que es una abstracción, un concepto. Si sales ahí afuera, puedes encontrar cinco bicicletas o cinco bancos en el parque, pero seguro que en ninguno de ellos está sentado el número 5. También sabes que 7 es un número y te lo representas sin ninguna dificultad: son 10 siete décimas partes. De qué sean las partes eso no importa, pueden ser de cualquier cosa. El número 7 también es una abstracción. Los números negativos no te causan problemas, sabes 10 que son útiles para hacer cálculos y muy√convenientes para representar valores en una escala. Y ¿qué me dices de los números como 2? Pues que tienen una expresión decimal que no acaba ni se repite, que pueden aproximarse por fracciones decimales, que pueden expresar el resultado exacto de una medida o, simplemente, que es un número cuyo cuadrado es igual a 2. Del cero ya, ni te hablo, a estas alturas debe ser un viejo amigo tuyo. Pero debes tener bien claro que las cosas no siempre fueron así. 5.2.1. Números y cantidades en la antigua Grecia Los griegos de la antigüedad distinguían entre “número” y “cantidad” o “magnitud”. Para ellos un número era un agregado de unidades. Podemos precisar más. Un número es una multiplicidad que se obtiene por repetición de un individuo – la unidad –, cuyas partes están separadas – son discontinuas – y tienen fronteras bien definidas. Por todo ello, una característica esencial de los números era su carácter discreto. Por otra parte, los números no tienen sentido si se separan de los objetos materiales o ideales a los que enumeran. Así, “tres árboles” tiene sentido, pero “tres” por sí mismo carece de significado. Es decir, un número es un atributo de un grupo de objetos y carece de autonomía propia. Una “cantidad” puede ser, entre otras cosas, tiempo, longitud, volumen, velocidad o masa. La característica esencial de la cantidad es su continuidad. Una cantidad puede dividirse inde- finidamente, pero no está formada por partes separadas que son réplicas de una unidad, sino que sus componentes están unidos entre sí por fronteras comunes: donde acaba uno empieza otro. Por ejemplo, un área plana puede dividirse en trozos que, al estar unidos unos con otros, pierden su singularidad quedando como partes indiferenciadas de un todo. Por otra parte, los matemáticos griegos no estudiaron la cantidad como algo abstracto, para ellos las cantidades tienen siempre un carácter concreto: son una cantidad de algo. El concepto de cantidad estaba estrechamente ligado a la Geometría. Una proporción entre dos segmentos es una cantidad que a veces puede expresarse con ayuda de números. Cuando dichos segmentos admiten una unidad de medida común podemos decir que la razón de uno a otro es, por ejemplo, de 7 : 10 pero, para los griegos, 7 : 10 no es un número sino una forma de expresar una cantidad concreta, que podría leerse algo así como “siete partes de diez”. Ellos solamente consideraban como números los enteros positivos y ni siquiera consideraban como número a la unidad. La unidad era, eso, “la unidad” de la que estaban formados los números, pero ella misma no era un número. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Números y cantidades en la antigua Grecia 151 En el Capítulo 1 nos ocupamos del descubrimiento de las cantidades inconmensurables, esto es, razones de segmen- tos que no admiten una unidad de medida común. El ha- llazgo de lo√que nosotros llamamos “números irraciona- les”, como 2, no tiene ningún significado aritmético para los griegos; su significado era geométrico: no puedes me- dir la diagonal de un cuadrado con su lado. Euclides, el matemático más famoso de la Escuela de Alejandría, en el Libro X de los Elementos (300 a.C.), clasifica las magni- tudes inconmensurables en los tipos siguientes (uso, claro Figura 5.1. Euclides está, la notación actual): √ √√ √ √√ a ± b, a ± b, a ± b, a± b Donde se entiende que a y b son racionales. La existencia de segmentos inconmensurables era un serio problema para el desarrollo de la geometría pues, como dichos segmentos no pueden compararse, no se sabía cómo interpretar su proporción. Por ejemplo, un resultado, sin duda conocido por los pitagóricos, afirma que las áreas de dos triángulos con igual altura están en la misma proporción que sus bases. ¿Qué sentido tiene esta afirmación si las bases no son segmentos conmensurables? El problema está en que no había una forma de comparar proporciones entre magnitudes inconmensurables. Un matemático, Eudoxo de Cnido (c. 400 - 347 a.C.), propuso una teoría axiomática de las magnitudes inconmensurables, que está recogida en el Libro V de los Elementos, en la que destacan los siguientes puntos. E1 (Propiedad arquimediana) Dadas dos magnitudes siempre hay un múltiplo de una de ellas que excede a la otra. Es decir, si es 0 < a < b hay algún n ∈ N tal que na > b. E2 (Criterio de igualdad) Las proporciones a : b y c : d son iguales si cualesquiera sean los enteros positivos m, n se tiene que ma < nb −→ mc < nd, ma = nb −→ mc = nd, ma > nb −→ mc > nd (5.1) Volveremos a considerar más adelante este elaborado criterio de igualdad que, desde luego, no aclaraba nada sobre la naturaleza de las cantidades irracionales y ponía de manifiesto la dificultad de reducir a la aritmética el estudio de las mismas. La carencia de una teoría aritmética satisfactoria de las cantidades inconmensurables, hizo que los matemáticos griegos consideraran la Geometría como una ciencia más general que la Aritmética, y dedicaran sus esfuerzos al estudio de la primera en detrimento de la última. La consecuencia fue que durante casi 2000 años, en Europa, casi todo razonamiento matemático riguroso se expresó en lenguaje geométrico. Quizás el único matemático griego, después de los pitagóricos, que no hizo Geometría sino Aritmética fue Diofanto de Alejandría (c. 214 - 298). En su obra llamada Aritmética, de la que se han conservado seis libros de un total de trece, resuelve diversos tipos de ecuacio- nes algebraicas admitiendo como soluciones números enteros o números fraccionarios positi- vos, los cuales son considerados por Diofanto como auténticos números y no solamente como proporciones. Otra innovación de Diofanto fue la invención de una notación “sincopada” que constituye el primer ejemplo de simbolismo matemático. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

De la antigua Grecia a la invención del Cálculo 152 5.2.2. De la antigua Grecia a la invención del Cálculo Es sabido que la civilización Romana, tan excelente en tantos aspectos, no destacó en el estudio de las ciencias puras y, en particular, de las matemáticas. La prueba de ello es que no hay ningún matemático Romano digno de mención. No obstante, el sistema de numeración Romano se impuso extendiéndose por todo el Imperio. Con el triunfo del Cristianismo a finales del siglo IV y la caída del Imperio Romano de Occidente en el año 476, se inicia una larga era de oscurantismo en Europa. La fe y los dogmas no son demostrables lógicamente; absurdas disputas teológicas ocupan el lugar de los estudios de la Naturaleza y la Biblia es la fuente de todo conocimiento. Según San Agustín “las pala- bras de las Escrituras tienen más autoridad que toda la inteligencia humana”. El racionalismo científico es sospechoso de paganismo. Entonces. . . ¿Para qué pensar? A diferencia que en Grecia, en la India se había desarrollado principalmente la Aritmética y se conocía el sistema de numeración posicional decimal desde el siglo VI. La primera vez que el cero es tratado como un número de pleno derecho es en la obra Brahmasphutasiddhanta del matemático y astrónomo indio Brahmagupta (598 - 670). Esta obra también contenía el principio de la numeración decimal posicional y los métodos de cálculo del álgebra india. En ella se tratan los números negativos en términos muy parecidos a los actuales. Figura 5.2. al-Jwarizmi La herencia matemática griega pasa a los árabes. La cul- tura árabe tiene una época de esplendor en los siglos VIII - XII. Al-Mamun (c. 786 - 833), sexto califa de la dinastía Abasida, fundó en Bagdad la Casa de la Sabiduría, una es- pecie de academia con una biblioteca y un observatorio. Allí se tradujeron las obras de los matemáticos y filósofos grie- gos y tuvieron conocimiento de las matemáticas indias. El más conocido matemático de la Escuela de Bagdad fue Muhammad ibn-Musa al-Jwarizmi de quien ya hemos hablado en el Capítulo 2. En su obra Libro de la Adición y la Sustracción según el cálculo de los hindúes se describe el sistema decimal posicional y se dan métodos para realizar cálculos aritméticos con dicho sistema. Figura 5.3. Fibonacci Leonardo de Pisa (c. 1170 - 1250), más conocido como Fibonacci, aprendió en sus viajes por los países árabes del Mediterráneo a usar los métodos de al-Jwarizmi. Al regresar a Italia, publicó en 1202 el Liber abaci, obra que contribu- yó a extender el sistema de numeración indo-árabe en Oc- cidente. Estudiando las soluciones de una ecuación de ter- cer grado, Fibonacci probó que había números irracionales diferentes de los considerados por Euclides. En consecuen- cia, las técnicas del álgebra geométrica griega no permitían construir todas las cantidades inconmensurables. Fibonacci dio también una interpretación de los números negativos como pérdidas o deudas, que tuvo bastante buena acogida. Pero todavía deberá pasar mucho tiempo para que los números negativos y el cero sean totalmente aceptados como números. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

De la antigua Grecia a la invención del Cálculo 153 En este apresurado repaso que estamos dando a la historia de los números, debemos avan- zar ahora casi trescientos años para llegar a la siguiente etapa protagonizada por los matemá- ticos italianos del Renacimiento Niccoló Tartaglia (c. 1500 - 1557), Gerolamo Cardano (1501 - 1576), Rafael Bombelli (1526 - 1572) y Ludovico Ferrari (1522 - 1565). Los dos primeros resolvieron la ecuación general de tercer grado de la cual solamente se conocían las solucio- nes en algunos casos particulares. En la resolución de la cúbica, Cardano tuvo en cuenta las Figura 5.4. Tartaglia soluciones negativas aunque las llamó “ficticias”, y com- probó que la cúbica podía tener tres soluciones. Así mismo, Cardano reconoció por primera vez la existencia de lo que ahora llamamos números complejos (a los que Napier llamó “los fantasmas de los números reales”) aunque no los acep- tó como posibles soluciones. Por su parte, Bombelli fue el primero en especificar las reglas para sumar y multiplicar números complejos. Usando dichas reglas, probó que po- dían obtenerse soluciones reales correctas para la cúbica, incluso cuando la fórmula de Tartaglia – Cardano requería el cálculo de raíces de números negativos. De esta época es también un opúsculo De Thiende (1585) (“El Décimo”) – 36 páginas – de Simon Stevin (1548 - 1620), ingeniero y matemático nacido en Brujas, en el que se introducen las fracciones decimales y se explica su uso en las operaciones aritméticas. Así mismo, en su obra L’Arithmetique (1585) escribió que “no hay números inexplicables, irregulares, irraciona- les, surds1 o absurdos”, indicando con esto que todos los números debían ser tratados por igual y no hacer distinciones entre ellos como si fueran de distinta naturaleza. Después de Stevin, la idea de que 1 era un número ganó una amplia aceptación. A pesar de estos avances, los conceptos de “número” y “cantidad” de la antigüedad perma- necen sin cambios notables hasta el siglo XVII cuando se desarrolla el simbolismo algebraico. Lo importante del simbolismo algebraico, no es tanto el uso de los símbolos por sí mis- mos, sino la elaboración de reglas formales para realizar operaciones de forma simbólica. Por ejemplo, a2 puede entenderse como una forma simplificada de escribir “el área del cuadrado de lado a”. Eso es muy distinto de escribir (a + b)2 = a2 + 2ab + b2. Esto último ya es una manipulación simbólica abstracta en la que las letras a, b no son más que símbolos sin una naturaleza concreta. François Viéte en su In artem analyticem isagoge (1591) expone una “logistica speciosa” (specis: símbolo), o arte de calcular con símbolos, que fue un paso decisivo para el desarrollo del concepto de cantidad abstracta. No obstante, Viéte consideraba que solamente las canti- dades homogéneas podían compararse entre sí. Para entender esto debes tener en cuenta que, desde la antigüedad, el producto de dos cantidades, por ejemplo ab, representaba el área de un rectángulo de lados a y b. De la misma forma, abc representaba el volumen de un ortoedro. Una expresión como ab + c no tenía significado porque no se podía sumar una longitud y un área: no eran cantidades homogéneas. El siguiente paso definitivo fue el invento de la geometría analítica en los años 1630 por 1La palabra griega “alogos”, αλoγoς, usada por los griegos para designar a los números irracionales, también significa “sin discurso” y los árabes la tradujeron por asamm, “sordo” o “mudo”, que fue traducida al latín por surdus. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

De la antigua Grecia a la invención del Cálculo 154 Figura 5.5. Viéte Figura 5.6. Fermat Figura 5.7. Descartes Pierre Fermat y René Descartes. La introducción de coordenadas y la representación de curvas por medio de ecuaciones supuso un cambio de perspectiva revolucionario. Piensa que, en la Antigüedad, solamente podían estudiarse aquellas curvas para las que se conocía un método de construcción con regla y compás. Ahora, por primera vez, los objetos geométricos podían estudiarse por medio del simbolismo algebraico, cuando hasta entonces lo usual había sido que el simbolismo algebraico fuera un pálido reflejo de relaciones geométricas. Una importante creación de Descartes fue el desarrollo de un “álgebra de segmentos”. Para ello, tomando como unidad un segmento u, construyó un segmento (cantidad) c que verificaba la proporción u : a = b : c. Dicho segmento c representaba el producto de los dos segmen- tos (cantidades) a y b. También construyó segmentos que se correspondían con la suma, la diferencia y el cociente de segmentos. De esta manera, cualquier operación con cantidades se corresponde con un segmento, lo que hace que todas las cantidades sean homogéneas. Una expresión como ab + c ya es correcta porque representa un segmento de línea. Esta homoge- neización de todas las cantidades conduce al concepto de cantidad abstracta desconocido en la antigüedad. Por esta época ya también los números eran objetos abstractos del pensamiento. Es decir, ya no eran simplemente un atributo del grupo al que contaban sino que se habían convertido en entidades autónomas. Descartes introdujo el término “imaginario” para referirse a aquellas soluciones de una ecuación polinómica que solamente están en “nuestra imaginación”. Como era costumbre, lla- maba “soluciones falsas” a las soluciones negativas. Las “raíces verdaderas” eran las positivas. A estos progresos en matemáticas hay que agregar los realizados en astronomía y en me- cánica por Copérnico (1473-1543), Kepler (1571-1630) y Galileo(1564-1642). Todos ellos se apoyan en métodos experimentales y empíricos cuantitativos para formular sus resultados como Leyes de la Naturaleza de contenido matemático. Al mismo tiempo, a lo largo de los dos primeros tercios del siglo XVII, se van desarro- llando una gran variedad de “métodos infinitesimales”, cuyos precedentes clásicos estaban en Eudoxo y Arquímedes, para resolver multitud de problemas de tipo geométrico y analítico, como cálculo de tangentes a curvas, cálculo de áreas y de valores máximos. Los trabajos de Cavalieri (1598 - 1647) , Wallis (1616 - 1703) y Barrow (1630 - 1677) entre otros muchos, es- tablecieron las bases sobre las que dos grandes genios, Newton (1643 - 1727) y Leibniz (1646 - Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

De la antigua Grecia a la invención del Cálculo 155 1716) desarrollaron el Cálculo Infinitesimal. Más adelante veremos con algún detalle todo este proceso, pues ahora quiero considerar solamente aquellos aspectos del mismo relacionados con las ideas de número y de cantidad. El Cálculo Infinitesimal son las matemáticas del cambio y del movimiento. Las ideas de magnitud variable y de dependencia entre magnitudes son fundamentales en estas nuevas ma- temáticas. Surge así el concepto de “variable” que se forma a partir de la idea de cantidad abstracta. En el libro de L’Hôpital Analyse des infiniment petits, pour l’intelligence des lignes courbes (1696) se lee: Se llaman cantidades variables aquellas que aumentan o disminuyen continua- mente, y por contraste cantidades constantes aquellas que permanecen igual mien- tras las otras cambian. Los matemáticos de los siglos XVII y XVIII usan el término “cantidad” para referirse a can- tidades generales abstractas, así como a cantidades geométricas concretas, pero siempre se consideran dichas cantidades como continuas. La noción de cantidad continua no se discute, se trataba de un concepto basado en la realidad física. Según Leibniz “Natura non facit saltus”. La idea de cantidad es más general que la idea de número. Un segmento de línea, por ejemplo, representa una cantidad, pero él mismo no se reduce a números. La idea de número como elemento de un conjunto no existe en el siglo XVIII. Por la misma razón, un segmento no puede “separarse” de sus extremos y siempre los incluye. Los números eran interpretados como medidas. En Arithmetica universalis (1707) Newton escribe: Por número entendemos no tanto una multitud de cantidades, como la razón abs- tracta de cualquier cantidad a otra cantidad de la misma clase que tomamos por unidad. Un entero es lo que es medido por la unidad, una fracción, aquello a lo que una parte submúltiplo de la unidad mide, y un surd, aquello que es inconmen- surable con la unidad. Esta interpretación de los números se corresponde con la consideración de las Matemáticas en los siglos XVII y XVIII como una Ciencia de la Naturaleza y, en consecuencia, los obje- tos matemáticos deben estar vinculados, directa o indirectamente, con la realidad física. Por ello, solamente se consideran como “verdaderos números” los que representan el resultado de una medida: los enteros y los racionales positivos. Los demás números (negativos, el 0 y los imaginarios) son necesarios y útiles para los cálculos, pero no son considerados “verdaderos números” son “ficticios”. Los números irracionales positivos, aunque no son números en sentido estricto, tampoco son propiamente “ficticios”, porque pueden representarse por un segmento y sirven para medir cantidades geométricamente especificadas. Los racionales e irracionales positivos son llamados “números reales” en oposición a los números imaginarios. Los números empiezan a considerarse como entidades simbólicas sobre las que se opera con un√as reglas establecidas (pero que no pueden ser libremente definidas). Por ejemplo, según Euler, 12 es√un número que multiplicado por sí mismo es igual a 12, y esto es una definición simbólica de 12. El desarrollo inicial del Cálculo, en el último tercio del siglo XVII, se basa en ideas vagas e imprecisas como “cantidad evanescente”, “razón última” o “infinitamente pequeño”. El uso Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Infinitésimos y el continuo numérico 156 de los “infinitésimos”, considerados como cantidades que, sin ser nulas, son más pequeñas que cualquier cantidad positiva imaginable, es característico de las técnicas del Cálculo. Después de la invención del Cálculo el objetivo era usarlo para descubrir nuevos resulta- dos. Al principio, nadie se preocupó mucho por la corrección matemática de los procedimientos empleados. La confianza en dichas técnicas descansaba en su extraordinaria eficacia para re- solver multitud de problemas. Sin embargo, a finales del siglo XVIII, el uso continuado de los infinitésimos, que nadie sabía explicar, unido a la incomprensión que se tenía de los números irracionales y de los procesos de convergencia, propiciaron estudios críticos de los conceptos básicos del Cálculo, que acabaron llevando a una nueva formulación de los mismos mucho más formal y rigurosa, según los criterios actuales, pero también mucho menos intuitiva. 5.2.3. Infinitésimos y el continuo numérico Estás leyendo ahora mismo estas palabras. Tienes un sentido preciso del “ahora”, al igual que del “pasado” y del “futuro”. Tenemos una percepción muy clara del “flujo del tiempo”. Per- cibimos el tiempo como un continuo: lo que separa dos instantes de tiempo es . . . tiempo. Dado un pequeño intervalo de tiempo, digamos un segundo, siempre podemos concebir otro intervalo más pequeño todavía, medio segundo o una cienbillonésima parte de un segundo. ¿Has pensado alguna vez hasta dónde es posible dividir el tiempo? Si aceptamos que el “instante” es lo que no tiene duración, parece difícil aceptar que el tiempo esté formado por instantes. ¿Debemos considerar entonces que hay una unidad mínima de tiempo, todo lo pequeña que queramos, pero que no se reduce a un instante? Estarás de acuerdo en que esa unidad mínima de tiempo sería algo así como una unidad de tiempo “infinitesimal”. ¿Cuántas unidades infinitesimales de tiempo caben en un minuto? ¿Un número finito? ¿Una cantidad infinita? En el párrafo anterior podemos cambiar la palabra “tiempo” por “espacio” e “instante” por “punto” y llegaremos a los problemas derivados de la “infinita divisibilidad” del espacio. Tiempo y espacio son ejemplos de “continuo”. Una entidad continua, un continuo, es lo que no está roto ni separado ni tiene huecos, lo que puede ser indefinidamente dividido sin que pierda su naturaleza. Por ejemplo, un volumen de líquido, un segmento, un movimiento o, los ejemplos más inmediatos, el espacio y el tiempo. Lo que relaciona espacio y tiempo es el movimiento. El Cálculo es la matemática del mo- vimiento, del cambio continuo. El Cálculo se apoya en la geometría analítica de Descartes y Fermat y en la Aritmética. La Geometría se ocupa de cantidades continuas; la Aritmética de lo discreto. El Cálculo es la síntesis de lo “discreto” y lo “continuo”. Los “infinitésimos”, las cantidades infinitesimales, son el puente entre lo discreto y lo continuo. Los procedimientos del Cálculo, límites, convergencia, continuidad, pueden describirse co- mo matemáticas del continuo numérico. La expresión “continuo numérico” puede parecer un oxímoron, esto es, una combinación de dos palabras con significados opuestos y, en cierto sen- tido, es así. Los números sirven para contar grupos de cosas de igual naturaleza; por ejemplo árboles, o lo que quiera que sea, pero cada una de ellas con su propia individualidad, separadas entre sí, cosas que no tiene sentido dividir porque al hacerlo pierden su naturaleza. Todo esto se resume diciendo que los números tienen un carácter discreto. Los números siempre fueron considerados como lo opuesto del continuo. La oposición continuo – discreto ha ocupado a los filósofos desde hace 2500 años y tie- Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Infinitésimos y el continuo numérico 157 ne como primeros representantes respectivos a Parménides (c. 510 - 450 a.C.) y a Demócrito (c. 460 - 370 a.C.). Parménides, el filósofo más famoso de la Escuela Eleática, afirma en su hermoso poema Sobre la Naturaleza, que lo que Es, el Ser, es uno, ingénito, homogéneo, continuo, indivisible e inmutable. Este concepto del Ser excluye toda posibilidad de nueva generación de seres o sustancias y, por tanto, el cambio y el movimiento son mera ilusión, porque ambos presuponen que lo que no es pueda llegar a ser. Demócrito es el representante más conocido de la Escuela Atomista cuyo materialismo se opone al idealismo de la Escuela Eleática. Demócrito mantiene que el universo está compuesto de pequeños corpúsculos invisibles, los “átomos”, que pueden poseer diferentes formas y ex- tensiones y que por movimientos y combinaciones diversas en el vacío engendran la totalidad de lo existente. Zenón de Elea, discípulo de Parménides, es famoso por sus aporías, en las que trata de probar que tanto si el espacio o el tiempo son infinitamente divisibles, como si no lo son, el movimiento no existe o es imposible. Las aporías de Zenón son un extraordinario desafío, al que filósofos y matemáticos han dado diversas respuestas, sin que aún hoy se tenga conciencia clara de haberlas podido explicar de forma totalmente convincente. Según Aristóteles, los atomistas preguntaban, en el supuesto de que una magnitud sea infi- nitamente divisible, qué es lo que quedaba de ella después de haberla sometido a un proceso de división exhaustivo. Y decían, si queda algo como polvo, es porque todavía no se ha completa- do el proceso de división, y si lo que queda son puntos o algo sin extensión, ¿cómo es posible recomponer una magnitud extensa con algo que no tiene extensión? Según ellos, la respuesta eran los átomos. La palabra griega “átomos” significa “lo que no puede dividirse”, por tan- to, la Escuela Atomista negaba la infinita divisibilidad de la materia y afirmaba que cualquier magnitud contiene elementos indivisibles. De la oposición continuo – discreto siguieron ocupándose los filósofos de la Antigüedad, Platón (c. 427 - 347 a.C.), Aristóteles (384 - 322a.C.), Epicuro (341 - 270 a.C.); y de la Edad Media Duns Scoto (c. 1266 - 1308), Guillermo de Ockham (c. 1280 - 1349), Nicolás de Cusa (1401 - 1464), entre otros. Éste último, en una supuesta demostración de la cuadratura del círculo, consideró una circunferencia como un polígono regular de infinitos lados. La idea de considerar que una curva está formado por infinitos segmentos infinitesimales de línea recta fue usada, entre otros, por Kepler, Galileo y Leibniz y está recogida en el libro de Guillaume de L’Hôpital Analyse des Infiniment Petits pour l’Intelligence des Lignes Courbes (1696) al cual ya nos hemos referido anteriormente. A finales del siglo XVII, con el invento del Cálculo, resurgió la oposición entre lo continuo y lo discreto, esta vez centrada en el concepto de cantidad infinitesimal. Algunos consideraban los infinitésimos como algo real, infinitamente pequeño, parecido a los átomos de Demócrito, salvo que ahora su número era infinito. La integración se consideraba como una suma infinita de estos infinitésimos. Una diferencial de una cantidad variable era un incremento infinitesimal de dicha variable, y un cociente o una razón de diferenciales “en el momento en que se anulan”, lo que Newton llamaba cantidades evanescentes, era lo que ahora llamamos una derivada, y Newton llamaba una fluxión. El uso de los infinitésimos en el Cálculo demostraba ser muy eficaz y, aunque a algunos, como al mismo Newton, les hubiera gustado evitarlo, lo cierto es que no se sabía bien cómo Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Infinitésimos y el continuo numérico 158 hacerlo. Lo peor de todo, no es que el mero concepto de infinitésimo sea de por sí difícilmen- te sostenible, sino la forma en que los infinitésimos se manejaban en los cálculos. Podemos destacar dos características. • Con los infinitésimos podía operarse como con cantidades finitas no nulas y, en particular, podía dividirse por ellos. • Los infinitésimos podían ser tratados como cantidades nulas. Así, si x es una cantidad positiva y o un infinitésimo, entonces x + o = x. Dependiendo del tipo de cálculo eran tratados de una forma u otra. Además, había infinitésimos de primer orden despreciables frente a cantidades finitas; de segundo orden que eran desprecia- bles frente a los de primer orden, y así sucesivamente. Para acabar de empeorar las cosas, los infinitésimos no respetaban la propiedad arquimediana, pues el producto de cualquier cantidad finita por un infinitésimo seguía siendo un infinitésimo. 5.1 Ejemplo. Un ejemplo típico es el cálculo de la diferencial de un producto de dos cantidades x e y. Se razonaba como sigue. Cuando x cambia a x + dx , y cambia a y + dy , por lo que xy se transforma en (x + dx )(y + dy ) = xy + x dy + y dx + dx dy por lo que la diferencial de xy es x dy + y dx + dx dy , pero como dx dy es una cantidad infinitamente pequeña con respecto a los otros términos, se sigue que la diferencial de xy es x dy + y dx . 5.2 Ejemplo. Veamos otro ejemplo típico. Consideremos dos cantidades x, y relacionadas por y − x3 = 0. Cuando x cambia a x + dx , y cambia a y + dy , por lo que 0 = y + dy − (x + dx)3 = y + dy − x3 − 3x2 dx − 3x( dx)2 − ( dx)3 Teniendo en cuenta que y − x3 = 0, deducimos: dy = 3x2 dx + 3x( dx)2 + ( dx)3 Dividiendo por dx la igualdad obtenida resulta: dy = 3x2 + 3x dx + ( dx)2 dx Y como 3x dx + ( dx)2 es infinitamente pequeño respecto de 3x2, concluimos que dy = 3x2. dx En lenguaje actual, lo que hemos hecho es calcular la derivada de la función f (x) = x3. Y. . . ¡el resultado es correcto! A pesar de que hemos dividido por una cantidad que después hemos hecho igual a cero. En 1734 el filósofo George Berkeley (1685 - 1753) publicó una obra cuyo título es El analista, o discurso dirigido a un matemático infiel, donde se examina si el objeto, principios e inferencias del análisis moderno están formulados de manera más clara, o deducidos de manera más evidente, que los misterios de la religión y las cuestiones de la fe. En dicha obra Berkeley, que fue obispo anglicano de Cloyne, hace una crítica de los fundamentos del Cálculo que tuvo una gran influencia. Afirmaba Berkeley que si se acepta que el Cálculo puede alcanzar soluciones exactas por medio de razonamientos erróneos, entonces debe admitirse que la fe puede alcanzar la verdad por vías místicas. Es famoso su comentario: Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

El triunfo de Pitágoras 159 ¿Qué son las fluxiones? Las velocidades de incrementos evanescentes. Y ¿qué son estos mismos incrementos evanescentes? Ellos no son ni cantidades finitas, ni can- tidades infinitamente pequeñas, ni siquiera son nada. ¿No las podríamos llamar los fantasmas de las cantidades desaparecidas? Los embrollos en que andaban metidos los matemáticos se reflejan en la novela de Jonathan Swift Los viajes de Gulliver (1726) donde aparecen los diminutos enanos de Lilliput y los enormes gigantes de Brobdingnag, y en la narración corta Micromegas (1752) de Voltaire. La realidad es que los matemáticos del siglo XVIII, y hasta bien entrado el siglo XIX, es- taban mucho más interesados en desarrollar y aplicar las técnicas del Cálculo, que en ocuparse de problemas de fundamentos. Entre los principales matemáticos de esta época hay que citar a Leonard Euler (1707 - 1783), Jean d’Alembert (1717 - 1783), Joseph-Louis Lagrange (1736 - 1813), Pierre-Simon Laplace (1749 - 1827), Joseph Fourier (1768 - 1830), Carl Friedrich Gauss (1777 - 1855). El espíritu de los tiempos, el Siglo de las Luces, queda bien reflejado en la si- guiente frase. Todos los efectos de la naturaleza son tan sólo las consecuencias matemáticas de un pequeño número de leyes inmutables. Laplace En el primer tercio del siglo XIX, el ideal de Newton de “someter los fenómenos de la Natura- leza a las leyes matemáticas”, podía considerarse esencialmente realizado. 5.2.4. El triunfo de Pitágoras Llegamos así al siglo XIX que, en cuanto a matemáticas se refiere, ha sido llamado el Siglo del Rigor. Veamos cómo se entendían en los primeros años de dicho siglo los conceptos básicos del Cálculo. • Concepto de función. No existía tal como lo entendemos en la actualidad. En vez de funciones, se consideraban relaciones entre variables, es decir, ecuaciones. Las corres- pondencias entre variables se interpretaban en términos geométricos. No existía la idea del dominio de una variable. • Concepto de continuidad. El concepto de continuidad puntual no había sido siquiera formulado matemáticamente. La idea de Euler de función continua, como aquella que está definida por una única expresión analítica, era todo lo que había. • Concepto de límite. Solamente se tenían algunas ideas confusas agravadas por el uso de los infinitésimos. Los infinitésimos empezaban a considerarse como variables con límite cero. • Concepto de número. La idea de cantidad abstracta variable, a la que podían asignarse valores concretos, no había experimentado cambios notables en casi un siglo. Los nú- meros complejos ya eran aceptados, gracias a los trabajos de Euler y, sobre todo, de Gauss, pero seguía sin tenerse una idea clara de los números irracionales, y prevalecía una interpretación geométrica de los mismos. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

El triunfo de Pitágoras 160 Esta situación iba a cambiar gracias principalmente a los trabajos de Bernad Bolzano (1781 - 1848), Augustin Louis Cauchy (1789 - 1857) y Karl Weierstrass (1815 - 1897) de los que nos ocuparemos al estudiar la formalización del concepto de límite. Ahora quiero detenerme solamente en la evolución de la idea de número real. A los tres matemáticos citados hay que agregar los nombres de Richard Dedekind (1831 - 1916) y George Cantor (1845 - 1918), fueron ellos quienes desarrollaron la teoría de los números reales que hemos estudiado en los Capítulos 1 y 4. Es lógico preguntarse por qué esto no se hizo antes. Pueden darse varias razones para ello. • En el siglo XVIII las matemáticas son consideradas una Ciencia de la Naturaleza. Las teorías matemáticas deben reflejar la realidad física. Las matemáticas son una herramien- ta para formular y descubrir las Leyes de la Naturaleza. Las teorías matemáticas no se inventan, se descubren. • Los números reales estaban asociados con magnitudes y se interpretaban geométrica- mente. Eran algo dado en la realidad física. A los matemáticos del siglo XVIII no les pareció necesario dar una definición matemática de los mismos. √ • Observa que para precisar un número como 2 debes dar todas sus cifras decimales en su orden, es decir, un vector de infinitas componentes. Fíjate también que la condición dada por Eudoxo (5.1) para comparar razones inconmensurables hace intervenir a todos los números naturales. Esto no es casual. La idea de número irracional lleva consigo asociada la de infinito. Hasta que no se elaboraron los fundamentos de una teoría matemática del infinito, no pudo desarrollarse una teoría satisfactoria de los números reales. En el siglo XVIII las definiciones matemáticas eran descriptivas; no creaban objetos matemá- ticos sino que describían algo que se suponía debía imitar una realidad externa. Por la misma razón, no podían inventarse reglas para operar con los objetos matemáticos. Las reglas había que descubrirlas, pero no podían elegirse libremente. Se consideraba que la Naturaleza im- ponía unas normas que las Matemáticas de alguna manera debían imitar, no se era libre para inventar una teoría matemática. La idea de una Matemática como juego lógico formal era algo impensable en el siglo XVIII. La idea que los matemáticos tenían de su Ciencia cambió de forma radical como conse- cuencia de la invención en el siglo XIX de las geometrías no euclídeas por Janos Bolyai (1802 - 1860) y Nikolai I. Lobachevsky (1792 - 1856). Quedó claro a partir de entonces que las ma- temáticas no son una Ciencia de la Naturaleza, que la definición usual de las matemáticas como la ciencia que estudia la cantidad y la forma es inadecuada, y pasó a considerarse que la matemática es la ciencia que obtiene conclusiones lógicas de sistemas axiomáticos. Las ma- temáticas son, pues, una ciencia puramente deductiva. Una teoría matemática es un conjunto de axiomas que contienen ciertos términos indefinidos, y un sistema de reglas de inferencia lógica. El papel que juegan las definiciones en una teoría matemática consiste en crear nuevos objetos matemáticos y precisar su significado en dicha teoría. Todos los objetos que se estudian en una teoría matemática, o bien son términos indefinidos de dicha teoría o son objetos creados por medio de definiciones que remiten a los axiomas. En el XVIII los números reales son algo dado y externo que las matemáticas deben explicar, al final del XIX los números serán algo completamente diferente. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

El triunfo de Pitágoras 161 La idea de número real es el soporte de otras ideas básicas del Cálculo como las de con- tinuidad y límite. Los procesos de convergencia dependen de la propiedad de completitud de los números reales. Por todo ello, los matemáticos eran cada vez más conscientes de que los progresos del Cálculo dependían de un mejor conocimiento de los mismos. 5.2.4.1. Cortaduras de Dedekind A mediados del siglo XIX no era posible demostrar algunos resultados básicos del cálculo; por ejemplo, que toda función creciente y acotada tiene límite, o el teorema del valor intermedio para funciones continuas. Ello se debía a que faltaba codificar matemáticamente una propiedad fundamental de los números reales, la que ahora llamamos completitud y entonces se llamaba propiedad de continuidad. En 1872 se publicaron dos trabajos, uno de Cantor y otro de Dede- kind, en los que, tomando como punto de partida el sistema de los números racionales, cada autor desarrollaba una construcción matemática de los números reales. Nos vamos a ocupar aquí del trabajo de Dedekind, titulado Continuidad y números irracionales. En dicho trabajo, Dedekind manifiesta su propósito de reducir los números reales a la aritmética, eliminando así todo contenido geométrico en la idea de número real. Para explicar lo que él hizo vamos a partir de la intuición de una recta. Figura 5.8. Dedekind Una recta es un ejemplo claro de continuidad. Elegido un punto como origen y un segmento como unidad, podemos hacer corres- ponder a cada número racional un punto de esa recta. Ya hemos visto, al hablar de las magnitudes inconmensurables, que los nú- meros racionales no agotan todos los puntos de la recta; cualquier punto que corresponda con un segmento de longitud inconmen- surable con la unidad elegida no puede ser representado por un número racional, es decir, en la recta racional hay “huecos”. Por tanto, los números racionales no son suficientes para describir nu- méricamente “el continuo”. Se pregunta Dedekind: ¿En qué consiste esta continuidad? Todo depende de la respuesta a esta pregunta, y solamente a través de ella obtendremos una base científica para la investiga- ción de todos los dominios continuos. Con vagas observaciones sobre la unión sin rotura de las partes más pequeñas, obviamente nada se gana; el problema es indicar una característica precisa de la continuidad que pueda servir como base para deducciones válidas. Durante largo tiempo he meditado sobre esto en vano, pero finalmente he encontrado lo que pretendía. Dedekind se dispone a revelar el secreto, pero como su idea además de ser genial es muy sencilla, previene al lector con esta observación. Muchos de mis lectores quedarán grandemente disgustados al saber que por esta vulgar observación se revela el secreto de la continuidad. ¿Cuál es esa vulgar observación? Vamos a explicarla. Todo punto en una recta R la divide en dos partes disjuntas, la parte A, formada por los puntos de la recta que están a su izquierda, y la parte B, formada por los puntos de la recta que están a su derecha. El propio punto podemos incluirlo bien en A o en B. Dice Dedekind: Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

El triunfo de Pitágoras 162 He encontrado la esencia de la continuidad en el recíproco, es decir, en el siguiente principio:“Si todos los puntos de la recta se dividen en dos clases tales que todo punto de la primera clase queda a la izquierda de todo punto de la segunda clase, entonces existe un, y sólo un punto, que produce esta división de todos los puntos en dos clases, esta escisión de la línea recta en dos partes.” Las ideas geniales, que además son sencillas, son doblemente geniales. Igual que el tiempo es continuo porque entre dos instantes de tiempo solamente hay tiempo, la recta es continua porque entre dos puntos de ella solamente hay puntos de la misma recta. Es esta la idea que Dedekind ha sabido expresar matemáticamente de una forma insuperable. Para entenderla un poco mejor, vamos a considerar el conjunto Q de los números racionales como puntos de una recta en la que hemos elegido un origen y una unidad, la recta racional. 5.3 Definición. Una cortadura de Q es un par (A, B), donde A y B son conjuntos no vacíos de números racionales tales que Q = A ∪ B, y todo número de A es menor que todo número de B y A no tiene máximo. Todo número racional r ∈ Q produce una cortadura dada por A = {x ∈ Q : x < r} , B = {x ∈ Q : r x} Pero en la recta racional hay muchas cortaduras que no están producidas por números raciona- les. En el ejercicio (70) hemos visto que los conjuntos A = {x ∈ Q : x 0 o x2 < 2}, B = {x ∈ Q : x > 0 y x2 2} definen una cortadura de Q que no está producida por ningún número racional. De hecho, si te imaginas la recta racional dentro de la recta real, y tomas un número α que sea irracional, los conjuntos A = {x ∈ Q : x < α} , B = {x ∈ Q : r > α} Definen una cortadura de Q que no está producida por ningún número racional. Es decir, con- siderando Q dentro de R, vemos que cada cortadura de Q está determinada por un punto que puede ser racional o irracional. Pero claro, está prohibido usar la recta real cuando lo que queremos es justamente cons- truirla a partir de Q. ¿De dónde sacamos los números reales si todo lo que tenemos son los racionales? Esta es la idea genial de Dedekind. 5.4 Definición. Un número real es una cortadura de Q. El conjunto de todos los números reales se representa por R. Observa el papel que desempe- ñan las definiciones en una teoría matemática: crean nuevos objetos de la teoría. La definición anterior dice lo que es un número real en términos exclusivamente de números racionales. Vuelve ahora a leer la definición de Eudoxo (5.1) para la igualdad de razones inconmensu- rables. ¡Lo que dice (5.1) es que dos razones inconmensurables son iguales si producen una misma cortadura en Q! Salvo esto, ningún otro parecido hay entre Dedekind y Eudoxo. Los números racionales se construyen a partir del conjunto Z de los enteros, y éstos se obtienen fácilmente a partir de los naturales. Dedekind y Giuseppe Peano establecieron una base axiomática para el conjunto N de los números naturales. Ya ves, al final, Pitágoras ha regresado: todo es número. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

El triunfo de Pitágoras 163 5.2.4.2. Métodos axiomáticos y métodos constructivos Supongo lo que estás pensando: “¡Vaya definición extraña de número real! Ahora resulta que un número es una cortadura. . . ¡nada menos que dos conjuntos infinitos de números!”. Vayamos poco a poco. • Es una definición operativa, es decir, permite definir la suma y el producto de números reales, así como la relación de orden y demostrar las propiedades P1 - P7 del Capítulo 1, y también la propiedad del supremo P8. Además, todo esto se hace de forma sencilla aunque laboriosa. Si tienes curiosidad, puedes consultar el Capítulo 28 de [16]. • Lo importante de la definición es que define los números reales solamente usando los números racionales. Es decir, resuelve un problema de existencia en sentido matemático. Las propiedades o axiomas P1 - P7 del Capítulo 1, junto con la propiedad del supremo P8, definen una estructura que se llama cuerpo ordenado completo. Aunque en el Capítulo 1 diji- mos que no era nuestro propósito decir qué son los números reales, podemos ahora responder a dicha pregunta: los números reales son el único cuerpo ordenado completo. La demostración de que existe un cuerpo ordenado completo y es único es larga, laboriosa y depende de las hipótesis de partida. Lo más usual es dar por conocidos los números racionales y a partir de ellos construir R. Esto puede parecer extraño a primera vista, porque si sólo conocemos los números racionales, ¿de dónde van a salir los demás? De eso precisamente se ocupan los métodos constructivos (Cantor, Dedekind). Por ejemplo, si partimos de la intuición de que con los números reales se pueden representar todos los puntos de una recta, es claro que un número real queda determina- do de forma única por los números racionales menores que él. Esta idea conduce a la definición de número real dada por Dedekind. La definición de Cantor es mucho menos intuitiva pues, para Cantor, un número real es una clase de infinitas sucesiones de números racionales que cumplen una cierta propiedad. Es posible probar, partiendo de estas definiciones, que el conjunto de los números reales así definidos puede dotarse de una estructura algebraica y de orden de manera que satisface los axiomas P1 - P8. Este proceso es bastante laborioso; además se corre el peligro de centrar la atención en el proceso en sí mismo olvidándose de lo que se persigue. Por otra parte, las definiciones de Dedekind o de Cantor no son las únicas, hay otras definiciones de número real. Pensarás que esto no es serio. ¿Qué está ocurriendo aquí? Ocurre, sencillamente, que cualquier definición de los números reales a partir de los racionales, esto es, cualquier método construc- tivo de R, tiene su razón última de ser en el problema de la existencia: ¿puede ser construido un cuerpo ordenado completo a partir de los axiomas usuales de la Teoría de Conjuntos? Pues bien, la respuesta es que sí; además, y esto es fundamental, matemáticamente, en un sentido preciso, dicho cuerpo es único. Da igual, por tanto, cómo se interprete lo que es un número real, lo importante es que de cualquier forma que lo hagamos, los axiomas P1 - P8 determinan totalmente sus propiedades matemáticas. Es decir, una vez que sabemos que hay un único cuerpo ordenado completo, lo mejor es olvidar cualquier posible interp√retación de cóm√o sean sus elementos (ningún mate- mático cuando considera el número real 2 piensa que 2 = {x ∈ Q : x < 0 o x2 < 2}) y quedarnos exclusivamente con las propiedades de los mismos. Esto es precisamente lo que se Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Ejercicios propuestos 164 hace con el método axiomático que nosotros hemos elegido para presentar R. 5.2.4.3. El regreso de los pequeñitos Con la reducción del continuo a lo discreto, parece que finalmente ha triunfado la Aritméti- ca. Pero la historia continua. Por una parte, los números naturales tuvieron un reinado efímero, pues fueron esencialmente reducidos a pura lógica como consecuencia del trabajo pionero de Gottlob Frege. Por otra parte en 1960, el lógico Abraham Robinson (1918 - 1974) construyó un sistema numérico, los hiperreales, un cuerpo totalmente ordenado no arquimediano, que contiene una copia de los números reales y en el que hay números infinitamente pequeños y números infinitamente grandes. Las técnicas desarrolladas por Robinson se conocen con el nombre de Análisis No Estándar. Con dichas técnicas pueden probarse los resultados funda- mentales del Cálculo de forma intuitiva y directa al estilo de Newton y Leibniz. ¡Están aquí! ¡Los infinitésimos han regresado! 5.2.5. Ejercicios propuestos 170. Prueba que la propiedad del supremo es equivalente a la siguiente propiedad. Propiedad del continuo. Dados subconjuntos no vacíos A y B de números reales cuya unión es igual a R, y tales que todo elemento de A es menor que todo elemento de B, se verifica que existe un número real z ∈ R, tal que todo número real menor que z está en A y todo número real mayor que z está en B. 5.3. Evolución del concepto de límite funcional Lo más específico del Análisis Matemático son los procesos de convergencia, o procesos “de paso al límite”, que en él se consideran. Aquí nos vamos a ocupar solamente del concep- to de límite funcional. Dicho concepto está estrechamente relacionado con los de función y de número real; y los tres juntos constituyen el núcleo del Análisis. Por ello, la historia de su evolución es también la del desarrollo del Cálculo, de los sucesivos intentos para funda- mentarlo sobre bases lógicas rigurosas. Aislar en este proceso aquellos aspectos directamente relacionados con el concepto de límite funcional, conlleva una pérdida de perspectiva que, es- pero, quedará compensada en capítulos siguientes al estudiar la evolución de los conceptos de derivada, integral y convergencia de series. 5.3.1. La teoría de las “razones últimas” de Newton En las matemáticas de la Antigüedad no existía una idea de “límite” que pueda ser consi- derada como un precedente lejano de la actual. Lo más parecido era el método de exhausción (496), empleado con maestría por Arquímedes para realizar diversas cuadraturas (8.8.1). Pero Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

La teoría de las “razones últimas” de Newton 165 dicho método no consistía en un límite, sino que, precisamente, lo que hacía era evitarlo y susti- tuirlo por un esquema de razonamiento de doble reducción al absurdo, típico de las matemáticas griegas. La matemática Griega abomina del infinito y la idea de límite connota la de infinito. Es notable, sin embargo, que cuando los matemáticos Griegos tienen que enfrentarse al infinito como, por ejemplo, Eudoxo al definir la igualdad de razones de magnitudes inconmensurables (5.1), lo que hace es basar su definición de igualdad en un álgebra de desigualdades. Tenemos que llegar al siglo XVII, con la invención de las técnicas infinitesimales que pre- ludian el descubrimiento del Cálculo, para encontrar las primeras referencias confusas de pro- cesos de convergencia. El primer indicio del concepto de límite funcional aparece en estrecha relación con el cálculo de fluxiones (velocidades instantáneas) (6.8.4) de Newton. En su teoría de las “razones últimas” expuesta en Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687) se lee: It can also be contended, that if the ultimate ratios of vanishing quantities are given, their ultimate magnitudes will also be given; and thus every quantity will consist of indivisibles, contrary to what Euclid has proved.... But this objection is based on a false hypothesis. Those ultimate ratios with which quantities vanish are not actually ratios of ultimate quantities, but limits which ... they can approach so closely that their difference is less than any given quantity... This matter will be unders- tood more clearly in the case of quantities indefinitely great. If two quantities whose difference is given are increased indefinitely, their ultimate ratio will be given, namely the ratio of equality, and yet the ultimate or maximal quantities of which this is the ratio will not on this account be given. Traduzco lo mejor que puedo: También puede alegarse que si las razones últimas de cantidades evanescentes son dadas, sus últimas magnitudes también serán dadas; y por tanto toda cantidad consistirá de indivisibles, en contra de lo que Euclides ha probado. . . Pero esta objeción está basada sobre una hipótesis falsa. Aquellas razones últimas con las que tales cantidades desaparecen no son en realidad razones de cantidades últimas, sino límites. . . a los que ellas pueden aproximarse tanto que su diferencia es menor que cualquier cantidad dada. . . Este asunto será entendido más claramente en el caso de cantidades indefinidamente grandes. Si dos cantidades cuya diferencia es dada son indefinidamente aumentadas, su última razón será dada, a saber, la razón de igualdad y, no obstante, las cantidades últimas o máximas de las cuales esta es la razón no serán por eso dadas. Lo que yo entiendo que quiere decir Newton es lo que sigue. La expresión “razones últimas de cantidades evanescentes” puede interpretarse como el límite de un cociente cuyo numerador y denominador tienen límite cero: l´ım f (x) = L, donde l´ım f (x) = l´ım g(x) = 0. En el primer g(x) x→a x→a x→a párrafo, Newton dice que el hecho de que la razón última sea dada igual a L, no quiere decir que el cociente de las últimas magnitudes, f (a) , sea igual a L. De manera muy interesante, g(a) Newton relaciona esto con la estructura del continuo, pues la idea que expresa es que si el valor de todo límite se alcanza, entonces el continuo estaría formado por últimas partes indivisibles. En el segundo párrafo, además de insistir en la idea anterior, queda claro que por “razones últi- mas” Newton entendía algo muy parecido a nuestra idea actual de límite. Finalmente, Newton propone un ejemplo excelente; consideremos, dice, dos cantidades f (x) y g(x) cuya diferencia está dada, f (x) − g(x) = α = 0, y tales que l´ım f (x) = l´ım g(x) = +∞, en tal caso tendre- x→a x→a mos que su razón última será de igualdad, esto es, l´ım f (x) = 1 y está claro que para ningún g(x) x→a valor de x es f (x) = 1 y que tampoco las magnitudes f (x) y g(x) tienen un último valor. g(x) Siempre es arriesgado hacer interpretaciones de esta naturaleza, pero creo que lo dicho es esencialmente correcto y, por tanto, manifiesto mi desacuerdo con quienes afirman que Newton Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

La metafísica del Cálculo en D’Alembert y Lagrange 166 tenía ideas muy confusas con respecto al límite. Lo que no tenía (no podía tener) era el con- cepto de función (por eso habla de cantidades o magnitudes), ni el simbolismo apropiado, ni el concepto de variable real continua. . . pero la idea de límite la tenía bien clara. Además, Newton considera que los infinitésimos no son cantidades fijas y, en los Principia, advierte a sus lectores que cuando hable de cantidades mínimas, o evanescentes, o de cantidades últimas, éstas no debieran entenderse como cantidades fijas que tienen un determinado valor, sino como cantidades que fueran indefinidamente disminuidas: Therefore in what follows, for the sake of being more easily understood, I should happen to mention quantities at least, or evanescent, or ultimate, you are not to suppose that quantities of any determi- nate magnitude, but such as are conceived to be always diminished without end. Estas ideas de Newton fueron desarrolladas por el matemático escocés Colin MacLaurin (1698 - 1746) que, en su gran obra A Treatise of Fluxions (1742), establece el cálculo sobre la base de una teoría geométrico – cinemática de límites. MacLaurin rechazaba los infinitésimos, afirmaba que los antiguos nunca reemplazaron curvas por polígonos y que la base de la geometría de Arquímedes era el concepto de límite. Lo sorprendente es que MacLaurin usa el concepto de límite como algo evidente que no precisa ser explícitamente presentado ni analizado. Esto se debe a que el cálculo de MacLaurin se sustenta sobre las ideas de espacio, tiempo y movimiento lo que le lleva a aceptar como evidentes la continuidad y la diferenciabilidad. 5.3.2. La metafísica del Cálculo en D’Alembert y Lagrange Figura 5.9. D’Alembert Durante el siglo XVIII, por una parte, el uso permanente de los infinitesimales dificultaba la comprensión de los procesos de paso al límite y, por otra parte, el recién inventado Cálculo era una herramienta maravillosa para estudiar y formular matemáti- camente multitud de fenómenos naturales. Además, los resultados obtenidos eran correctos, por tanto no había por qué preocupar- se mucho de la coherencia lógica de los fundamentos, ya habría tiempo para ello más adelante. Debemos destacar, no obstante, la propuesta de Jean le Rond d’Alembert (1717 - 1783) de fundamentar el Cálculo sobre el con- cepto de límite: “La théorie des limites est la base de la vraie Métaphysique du calcul différentiel”. D’Alembert redactó la mayoría de los artículos de matemáticas y ciencias para la obra inmortal del Siglo de las Luces la Encyclopédie, ou Dictionnaire Raisonné des Sciences, des Arts et des Métiers (1751 - 65). En el artículo Différentiele (1754), después de criticar la “metafísica del infinito” de Leibniz, escribe: Newton partía de otro principio; y se puede decir que la metafísica de este gran geómetra sobre el cálculo de fluxiones es muy exacta y luminosa, aunque solamente la ha dejado entrever. Él no ha considerado nunca el cálculo diferencial como el cálculo de cantidades infinitamente pequeñas, sino como el método de las primeras y últimas razones, es decir, el método para hallar los límites de las razones. [. . . ] La suposición que se hace de las cantidades infinitamente pequeñas sólo sirve para acortar y simplificar los razonamientos; pero en el fondo el cálculo diferencial no precisa suponer la existencia de tales cantidades; y más aún, este cálculo consiste meramente en la determinación algebraica del límite de una razón. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

La metafísica del Cálculo en D’Alembert y Lagrange 167 D’Alembert fue el primer matemático que afirmó haber probado que los infinitamente peque- ños “n’existent réellement ni dans la nature, ni dans les suppositions des Géomètres”. Según d’Alembert: Una cantidad es algo o nada; si es algo, aún no se ha desvanecido; si no es nada, ya se ha desvanecido literalmente. La suposición de que hay un estado intermedio entre estos dos es una quimera. En el artículo Limite (1765), también escrito para la Encyclopédie junto con Jean-Baptiste de La Chapelle (1710 - 1792), se da la siguiente definición de límite: Se dice que una magnitud es el límite de otra magnitud, cuando la segunda puede aproximarse a la primera, sin llegar nunca a excederla, en menos que cualquier cantidad dada tan pequeña como se quiera suponer. Este artículo también contiene los resultados sobre la unicidad del límite y sobre el límite del producto de dos magnitudes, por supuesto, enunciados retóricamente sin ningún tipo de símbolo para representar los límites. Dichos resultados habían aparecido en el libro de La Chapelle Institutions de Géométrie (1757). Tanto d’Alembert como La Chapelle tenían una idea esencialmente geométrica del concepto de límite, así el ejemplo que ponen en el citado artículo es el de la aproximación de un círculo por polígonos. El punto de vista de d’Alembert, esencialmente correcto, no era compartido por otros ma- temáticos, de forma destacada, por Joseph-Louis de Lagrange (1736 - 1813) quien en su obra Théorie des fonctions analytiques (1797), cuyo subtítulo era nada menos que Les Principes du Calcul Différentiel, dégagés de toute considération d’infiniment petits, d’évanouissants, de limites et de fluxions, et réduits à l’analyse algébrique des quantités finies, pretendió establecer una fundamentación algebraica del Cálculo, eliminando toda referencia a los infinitesimales y a los límites. Lagrange criticaba la teoría de las “últimas razones” de Newton y afirmaba: Ese método tiene el gran inconveniente de considerar cantidades en el momento en que ellas cesan, por así decir, de ser cantidades; pues aunque siempre podemos concebir adecuadamente las razones de dos cantidades en tanto en cuanto ellas permanecen finitas, esa razón no ofrece a la mente ninguna idea clara y precisa tan pronto como sus términos ambos llegan a ser nada a la vez. Esta severa crítica va realmente dirigida contra Euler, quien concebía las cantidades infinite- simales como ceros exactos y, por tanto, un cociente de diferenciales lo interpretaba como 0 , 0 expresión de la cual había que hallar en cada caso “su verdadero valor”. Lo llamativo es que la propuesta de Lagrange se basaba en los desarrollos en series de Taylor, considerados como una generalización del álgebra de polinomios, con lo que, de hecho, estaba usando la idea de límite que quería evitar. Por otra parte, es conocida la jactancia de Lagrange de que en su monumental Mécanique analytique(1772 - 88) no había usado ni necesitado ninguna figura. Lagrange se- guía así la tendencia, cada vez mayor, de separar el cálculo y la geometría. De hecho, Lagrange puede considerarse un “matemático puro”; su rechazo a la teoría de fluxiones se debe a que está basada en la idea de movimiento, que no es matemática, y su rechazo de los límites es debido a la confusa formulación de dicho concepto en su tiempo. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

El premio de la Academia de Berlín de 1784 168 5.3.3. El premio de la Academia de Berlín y otras propuestas en el último tercio del siglo XVIII Jacques-Antoine-Joseph Cousin (1739 - 1800) escribió un libro de texto Leçons de Calcul Différentiel et de Calcul Intégral (1777), en el que, siguiendo la idea de d’Alembert, afirmaba fundamentar el cálculo sobre el concepto de límite, el cual, para Cousin, es el mismo que el ex- presado por La Chapelle en el artículo Limite de la Encyclopédie antes reseñado. En particular, no hace distinción entre cantidades variables y constantes. Desde un punto de vista operativo, Cousin introduce, sin justificación, un principio de conservación de las razones entre dos va- riables por paso al límite. Una novedad importante es que Cousin reconoce la necesidad de un símbolo para expresar el límite, pero no hace nada al respecto. Roger Martin (1741 - 1811) publicó un libro de texto Éléments de Mathématiques (1781) con igual propósito que Cousin. La definición de límite de Martin es más precisa: Por el límite de una cantidad variable se entiende el valor o estado hacia el cual ella siempre tiende conforme varía, sin alcanzarlo nunca; pero al cual, no obstante, puede aproximarse de manera que difiera de él por una cantidad menor que cualquier cantidad dada. La condición de pequeñez de la diferencia está formulada en la forma que después sería la usual, además, distingue entre variable y valor constante. En 1784 la Academia de Berlin, cuyo director era Lagrange, anunció la convocatoria de un premio para “una teoría clara y precisa de lo que se llama el infinito en matemáticas”. El propósito de la Academia era eliminar el uso de los infinitesimales: Es bien sabido que la geometría superior emplea regularmente lo infinitamente grande y lo infini- tamente pequeño. . . La Academia, en consecuencia, desea una explicación de cómo es posible que se hayan conseguido deducir tantos teoremas correctos a partir de unos presupuestos contradicto- rios, así como. . . un principio verdaderamente matemático que pueda sustituir correctamente al del infinito. El premio fue concedido en 1786 a Simon-Antoine-Jean L’Huilier (1750 - 1840) por su ensayo Exposition élémentaire des principes des calculs supérieurs en el cual L’Huilier desarrollaba una teoría de límites. Su definición de límite es: Sea una cantidad variable, siempre menor o siempre mayor que una propuesta cantidad constante; pero de la cual puede diferir menos que cualquier propuesta cantidad menor que ella misma: esta cantidad constante se dice que es el límite por exceso o por defecto de la cantidad variable. La novedad aquí está en los conceptos de “límite por exceso” y “límite por defecto”. Al intro- ducir esta distinción, L’Huilier observaba que hasta entonces no se había tenido en cuenta el hecho de que la aproximación al límite puede realizarse tanto desde una variable con valores crecientes como desde una variable con valores decrecientes. Por ello, L’Huilier introduce los conceptos de límite por la derecha y de límite por la izquierda. En esta obra es donde, por primera, se usa el símbolo “l´ım.” (con el punto, como si fuera una abreviación de “límite”) para representar el límite, aunque L’Huilier no lo hace de una forma regular. El principal logro de L’Huilier fue extender la aplicabilidad del concepto de límite. Mientras que sus predecesores habían dado solamente un par de reglas básicas, él realizó un desarrollo Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

El premio de la Academia de Berlín de 1784 169 más sistemático, probando las reglas del producto y del cociente para límites, y obteniendo la regla de la derivada de un producto por medio de límites. En esta exposición estoy siguiendo muy de cerca el excelente libro de Schubring [14]. Este autor hace un notable descubrimiento. Se trata de un ensayo de 100 páginas, titulado Com- pendio da Theorica dos Limites, ou Introducçaõ ao Methodo das Fluxões, que fue publicado por la Academia de Ciencias de Lisboa en 1794, aunque su autor Francisco de Borja Garção Stockler (1759 - 1829) lo había presentado ya en 1791. Stockler nació en Lisboa, su padre era alemán y su madre portuguesa. Estudió la carrera militar y también matemáticas en la Univer- sidad de Coimbra. Desarrolló una gran actividad tanto política como científica. La importancia del citado libro de Stockler es que contiene el primer intento de una presentación algebraica del concepto de límite. Stockler tenía un excelente conocimiento de la literatura matemática de su época, y en su libro se apoya precisamente en los autores que hemos citado anteriormente. Pero Stockler aventaja ampliamente a sus fuentes al separar el concepto de límite del concepto geométrico, algebraizándolo tanto para variables como para funciones. Además, es un pionero en el uso de desigualdades. Su definición de límite es la siguiente: Una cantidad constante es llamada “Límite” de una variable si la última puede ir aumentando o disminuyendo – aunque sus valores nunca lleguen a ser igual al de la constante – da tal forma que puede aproximar la constante tanto que la diferencia llega a ser menor que cualquier cantidad dada, por pequeña que esta pueda haber sido escogida. La definición es parecida a la de Martin, aunque hay un mayor énfasis en que el límite es un valor constante. Stockler también usa los conceptos de límites por la derecha y por la izquierda de L’Huilier. Debemos notar que todas estas definiciones de límite que estamos dando se refieren a varia- bles y que dichas variables suelen interpretarse como cantidades geométricas (áreas, longitudes de arco, medidas de ángulos, etc.). Además, una “cantidad constante” es interpretada general- mente como una cantidad positiva. Con frecuencia se considera que el cero tiene un carácter especial y se dan definiciones específicas para tenerlo en cuenta. Precisamente, eso es lo que hace Stockler introduciendo el concepto de “variable sin límite de disminución” con el signifi- cado de una variable con límite cero. De esta forma, también evita usar infinitésimos. Stockler establece como un resultado fundamental que Toda cantidad capaz de un límite, tiene necesariamente que ser igual a su límite, más o menos una cantidad variable sin límite de disminución. Stockler desarrolla todo un álgebra de límites y no se limita a las operaciones de suma, producto y cociente. He aquí una muestra: Una potencia ax, donde a < 1 es una constante y x una variable con valores positivos y sin límite de aumento, forma una sucesión nula. Stockler explica el uso del símbolo “Lim.” para representar límites y lo emplea de forma ope- rativa para permutar límites. Por ejemplo, si b = Lim. x y a es constante, Lim. (ax) = ab. Stockler no considera solamente límites de variables sino también de funciones. De forma explícita establece la permutabilidad del límite con una función: El límite de cualquier función F x de una variable x que es capaz de (tiene) límite, es igual al valor homólogo por la función de su límite. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Cauchy y su Cours D’Analyse de 1821 170 Simbólicamente, Stockler expresa el teorema como sigue: Para a = Lim. x, se sigue que Lim. F x = F a. 5.3.4. Cauchy y su Cours D’Analyse de 1821 A principios del siglo XIX, parecía cada vez más necesario consolidar la enorme cantidad de resultados que ya se habían obtenido usando las técnicas precariamente fundamentadas del cálculo. Había llegado el momento en que se disponía de las herramientas necesarias para des- velar las sutilezas del concepto de límite, cuya lenta y trabajosa evolución a lo largo del siglo XVIII acabamos de ver. Lo que se necesitaba era dar definiciones precisas, simbólicas y opera- tivas, que no estuvieran basadas en intuiciones geométricas ni cinemáticas. Para ello, había que precisar las expresiones vagas que solían usarse, al estilo de “aproximarse más que una cantidad dada, por pequeña que ésta sea”, y dotarlas de un significado matemático preciso que pudiera ser usado para dar demostraciones. Lo que se necesitaba era traducir las definiciones verbales de límite mediante el álgebra de desigualdades que en esa época ya se había desarrollado. Esto puede parecer fácil visto desde nuestra perspectiva actual, pero no lo era en absoluto. Si vuelves a leer la definición de límite (4.32), puedes comprobar lo abstracta que es: no queda nada en ella de la intuición inicial con la que Newton imaginaba sus “razones últimas”. Es una definición “estática” y todo en ella es arit- mética: valor absoluto, desigualdades. . . ¡no contiene ninguna igualdad! Ganamos rigor a costa de la intuición. Quien realizó la hazaña de fundamentar con rigor el cálculo sobre el con- cepto de límite fue Augustin - Louis Cauchy (1789 - 1857). Nos vamos a centrar aquí exclusivamente en este aspecto de su obra, de la que nos ocuparemos con más detalle en Figura 5.10. Cauchy un capítulo posterior. Conviene, no obstante decir, que hay interpretaciones muy distintas de la obra de Cauchy. En parti- cular, se ha escrito mucho sobre el uso que Cauchy hace de los infinitésimos. Creo que la documentada exposición que hace Schubring en [14] es muy con- vincente. Su tesis es que Cauchy, por su propia voluntad, nunca hubiera dejado entrar a los infinitésimos en sus libros, pero que se vio en la necesidad de hacerlo por la presión del entorno de l’École Polytechnique donde desempeñaba su labor docente. De todas formas, su concepto de infinitésimo, como veremos enseguida, no es el de una cantidad no nula pero infinitamente pequeña. En su Cours d’Analyse de l’École Polytechnique (1821), Cauchy empieza exponiendo su concepto de número, de cantidad y seguidamente, en la página 19, aparecen las siguientes definiciones: Se llama cantidad variable aquella que se considera debe recibir sucesivamente varios valores di- ferentes unos de otros.[. . . ] Cuando los valores sucesivamente atribuidos a una misma variable se aproximan indefinidamente a un valor fijo, de manera que acaban por diferir de él tan poco como se quiera, éste último es llamado el límite de todos los otros. [. . . ] Cuando los valores numéricos (valores absolutos) sucesivos de una misma variable decrecen indefinidamente, de manera que quedan por debajo de todo número dado, esta variable recibe el nombre de infinitésimo o de cantidad infinitamente pequeña. Una variable de esta naturaleza tiene por límite a cero. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Cauchy y su Cours D’Analyse de 1821 171 Cuando los valores numéricos (valores absolutos) sucesivos de una misma variable crecen más y más, de manera que permanecen por encima de todo número dado, se dice que esta variable tiene por límite el infinito positivo, indicado por el signo ∞, cuando se trata de una variable positiva, y el infinito negativo, indicado por la notación −∞, cuando se trata de una variable negativa. Llama la atención en esta definición la idea repetida de “sucesivos valores” que algunos autores interpretan como si Cauchy considerara a las cantidades variables como sucesiones. Aunque sigue siendo una definición verbal, es mucho más precisa que las anteriores y lo importante es la forma en que Cauchy la interpreta por medio del álgebra de desigualdades. Podemos hacernos una idea de la forma de trabajar de Cauchy considerando el siguiente resultado que aparece en la página 54 del Cours d’Analyse. Traduzco y hago algunos comentarios que van en cursiva y entre paréntesis. Teorema I (Cauchy - Cours d’Analyse, p.54). Si para valores crecientes de x, la diferencia f (x + 1) − f (x) converge hacia un cierto límite k, la fracción f (x) x convergerá al mismo tiempo hacia el mismo límite. Demostración. Supongamos para empezar que la cantidad k tenga un valor finito, y designemos por ε un número tan pequeño como se quiera. Puesto que los valores crecientes de x hacen converger la diferencia f (x + 1) − f (x) hacia el límite k, se podrá dar al número h un valor suficientemente grande para que, siendo x igual o mayor que h, la diferencia correspondiente esté constantemente comprendida entre los límites k − ε, k + ε. (Este comienzo es impecable y nosotros lo haríamos exactamente igual. Con nuestras notaciones actua- les, la hipótesis es que l´ım f (x + 1) − f (x) = k. x→+∞ Por tanto, dado ε > 0, existe h > 0 tal que para todo x h se verifica que |f (x + 1) − f (x) − k| < ε. Eso es exactamente lo que escribe Cauchy.) Supuesto esto, si se designa por n un número entero cualquiera, cada una de las cantidades f (h + 1) − f (h) f (h + 2) − f (h + 1) ........................ f (h + n) − f (h + n − 1) y, en consecuencia, su media aritmética, a saber f (h + n) − f (h) n se encontrará comprendida entre los límites k − ε, k + ε. Se tendrá pues f (h + n) − f (h) = k +α n Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Cauchy y su Cours D’Analyse de 1821 172 siendo α una cantidad comprendida entre los límites −ε, +ε. Sea ahora h+n=x La ecuación precedente se convertirá en f (x) − f (h) = k + α, (5.2) x − h y se concluirá f (x) = f (h) + (x − h)(k + α) f (x) = f (h) + 1 − h (k + α) (5.3) x x x (Hasta aquí, nada que objetar. Todo es correcto.) Además, para hacer crecer indefinidamente el valor de x, será suficiente hacer crecer indefinida- mente el número entero n sin cambiar el valor de h. Supongamos, en consecuencia, que en la ecuación (5.3) se considera h como una cantidad constante, y x como una cantidad variable que converge hacia el límite ∞. Las cantidades f (h) h x x , , encerradas en el segundo miembro, convergerán hacia el límite cero, y el propio segundo miembro hacia un límite de la forma k + α, α estando siempre comprendida entre −ε y +ε. Por consiguiente, la razón f (x) x tendrá por límite una cantidad comprendida entre k − ε y k + ε. Debiendo subsistir esta conclusión, cualquiera que sea la pequeñez del número ε, resulta que el límite en cuestión será precisamente igual a la cantidad k. En otras palabras, se tendrá l´ım f (x) = k = l´ım[f (x + 1) − f (x)]. (5.4) x (Seguidamente, Cauchy pasa a considerar los casos en que k = ∞ y k = −∞.) Esta demostración es notable, por su rigor y también porque no es correcta. Te daré un contraejemplo en un ejercicio. ¿Serías capaz de explicar a Cauchy dónde está el error en su razonamiento? Por supuesto, lo que interesa aquí es la forma en que Cauchy traduce los con- ceptos de límite por medio de desigualdades. El error es anecdótico, además, cuando Cauchy emplea este resultado lo hace siempre en casos en que la tesis es correcta; por ejemplo, para la función log x ,se tiene que l´ım log(x + 1) − log(x) = 0 y, por tanto, l´ım log x = 0 lo x x→+∞ x→+∞ cual es correcto. Si hasta el mismo Cauchy se equivocaba en cosas aparentemente fáciles, no te extrañes si a ti te cuesta trabajo entender bien la definición de límite, esa experiencia la hemos tenido todos los que hemos estudiado Análisis. Durante el siglo XVIII, el concepto de continuidad no había merecido nada más que una esporádica atención, y siempre había sido considerado desde un punto de vista filosófico, más como una ley de la naturaleza que como un concepto propiamente matemático. Generalmente la continuidad de una función se entendía en el sentido de Euler, y significaba que dicha función Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Cauchy y su Cours D’Analyse de 1821 173 estaba definida por una única expresión analítica. En su Cours d’Analyse, Cauchy define el concepto de función continua y, lo que es notable, de función discontinua; y su definición es realmente muy minuciosa. Dice así: Sea f (x) una función de la variable x, y supongamos que, para cada valor de x comprendido entre ciertos límites dados, esta función admite constantemente un valor único y finito. Si, partiendo de un valor de x comprendido entre estos límites, se atribuye a la variable x un incremento infinitamente pequeño α, la función misma recibirá por incremento la diferencia f (x + α) − f (x) que dependerá a la vez de la nueva variable α y del valor de x. Dicho esto, la función f (x) será, entre los dos límites asignados a la variable x, función continua de esta variable, si, para cada valor de x intermedio entre estos límites, el valor numérico (valor absoluto) de la diferencia f (x + α) − f (x) decrece indefinidamente con el de α. En otras palabras, la función f (x) permanecerá continua con respecto a x entre los límites dados, si, entre estos límites un incremento infinitamente pequeño de la variable produce siempre un incremento infinitamente pequeño de la función. Se dice también que la función f (x) es, en un entorno de un valor particular atribuido a la variable x, función continua de esta variable, siempre que ella sea continua entre dos límites de x, por cercanos que estén, que encierren al valor considerado. Finalmente, cuando una función deja de ser continua en el entorno de un valor particular de la variable x, se dice entonces que ella se hace discontinua y que para este valor particular de x hay una solución de continuidad. Cauchy da realmente dos definiciones; primero define lo que nosotros llamaríamos “continui- dad en un intervalo” y, después, la continuidad puntual. La primera definición ha sido interpre- tada en el sentido de que lo que Cauchy entiende por continuidad es lo que ahora llamamos “continuidad uniforme”. Seguidamente a esta definición, Cauchy pasa a estudiar la continuidad de las funciones elementales, considerando en cada caso, los límites entre los que cada función es continua. Después demuestra el teorema de los valores intermedios (teorema de Bolzano) del cual da dos demostraciones. Una que se apoya de forma decisiva en la intuición geométrica y, en una nota al final del texto, otra, que él califica de “puramente analítica”, que consiste en el método de bisección, en la que Cauchy usa, sin demostración ni comentario, que una sucesión monótona acotada es convergente, propiedad que equivale a la completitud del sistema de los números reales. El citado texto de Cauchy, así como los libros Résumé des leçons sur le Calcul Infinitésimal (1823) y Leçons sur le Calcul Différentiel (1829), en los que se recogen los cursos impartidos por Cauchy en la École Polytechnique durante los años precedentes, tuvieron una gran in- fluencia y establecieron nuevas exigencias de rigor. En el cálculo de Cauchy los conceptos de función y de límite son los conceptos fundamentales. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

El innovador trabajo de Bolzano 174 5.3.5. El innovador trabajo de Bolzano Figura 5.11. Bolzano Es obligado citar a Bernhard Bolzano (1781 - 1848), mate- mático, lógico y filósofo, profesor en la Universidad de su ciudad natal, Praga, desde 1805 a 1820. Bolzano, cuyas obras completas comprenderán, cuando terminen de editarse, alrededor de 140 vo- lúmenes, fue un innovador en todos los campos que trabajó. En sus trabajos matemáticos anticipó muchos de los conceptos que posteriormente redescubrieron y desarrollaron matemáticos como Cauchy, Weierstrass o Cantor. Debido a su relativo aislamiento en la ciudad de Praga, en una época en la que el centro de toda la pro- ducción matemática estaba en París, la obra matemática de Bol- zano fue poco conocida y no tuvo la influencia que merecía por su rigor y profundidad. Por lo que a la continuidad de una función se refiere, Bolzano publicó en 1817 un pequeño libro de 60 páginas Purely analytic proof of the theorem that between any two values which give results of opposite sign there lies at least one real root of the equation [13], en el que, entre otras cosas, demuestra el teorema que ahora lleva su nombre. Bolzano empieza razonando que las demostraciones conocidas de ese teorema eran inapropiadas. La claridad de ideas con que se expresa es muy llamativa (traduzco de [13]): No obstante, un examen más cuidadoso muestra muy pronto que ninguna de estas pruebas puede considerarse adecuada. I. El tipo de demostración más usual depende de una verdad pedida en préstamo a la geometría, a saber, que toda línea continua de curvatura simple cuyas ordenadas son primero positivas y después negativas (o recíprocamente) necesariamente debe intersecar en algún lugar al eje de abscisas en un punto comprendido entre aquellas ordenadas. Ciertamente, nada hay que objetar respecto a la corrección, ni tampoco a la obviedad, de esta proposición geométrica. Pero está claro que es una intolerable ofensa contra el método correcto, deducir verdades de las matemáticas puras (o generales, i.e. aritmética, álgebra, análisis) a partir de consideraciones que pertenecen simplemente a una parte aplicada (o especial), a saber, la geometría. [. . . ] Consideremos ahora la razón objetiva por la que una línea en las circunstancias antes mencio- nadas interseca el eje de abscisas. Sin duda, todo el mundo verá enseguida que esta razón descansa en nada más que en el asentimiento general, como consecuencia del cual toda función continua de x que sea positiva para algún valor de x, y negativa para otro, debe ser cero para algún valor intermedio de x. Y ésta es, precisamente, la verdad que debe ser probada. II. No menos reprobable es la demostración que algunos han construido a partir del concepto de la continuidad de una función con la inclusión de los conceptos de tiempo y movimiento. [. . . ] Esto es adicionalmente ilustrado por el ejemplo del movimiento de dos cuerpos, uno de los cuales está inicialmente detrás del otro y posteriormente delante del otro. Necesariamente se deduce que en un tiempo debe haber estado al lado del otro. Nadie negará que los conceptos de tiempo y movimiento son tan extraños a la matemática general como el concepto de espacio. No obstante, si estos con- ceptos fueran introducidos solamente por motivos de claridad, no tendríamos nada en contra de ello. [. . . ] Por tanto, debe observarse que no consideramos que los ejemplos y aplicaciones disminuyan en lo más mínimo la perfección de una exposición científica. De otra manera, estrictamente exigimos sólo esto: que los ejemplos nunca sean empleados como argumentos en lugar de las demostraciones, y que la esencia de una deducción nunca esté basada sobre el uso meramente metafórico de frases o sobre sus ideas relacionadas, de forma que la deducción misma quedaría vacía tan pronto como éstas fueran cambiadas. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Weierstrass nos dio los ε − δ 175 Es difícil expresarse con más claridad que como lo hace Bolzano. Su definición de continuidad, en el citado trabajo, es como sigue: Una función f (x) varía según la ley de continuidad para todos los valores de x dentro o fuera de ciertos límites, significa exactamente que: si x es algún tal valor, la diferencia f (x + ω) − f (x) puede ser hecha más pequeña que cualquier cantidad dada, supuesto que ω puede ser tomado tan pequeño como queramos. Seguidamente, Bolzano establece un teorema previo cuyo asombroso enunciado es como sigue: Si una propiedad M no pertenece a todos los valores de una variable x, pero sí pertenecen todos los valores que son menores que un cierto u, entonces existe siempre una cantidad U que es la mayor de aquellas de las cuales puede afirmarse que toda más pequeña x tiene la propiedad M . Comprendes por qué califico de “asombroso” ese enunciado, ¿verdad? ¡Es la propiedad de extremo inferior!¡En el año 1817, 55 años antes de que Dedekind y Cantor publicaran sus teorías de los números reales! El conocido historiador de las matemáticas Ivor Grattan - Guinness, en un polémico trabajo titulado Bolzano, Cauchy and the “New Analysis” of Early Nineteenth Century [9], expresa su opinión de que Cauchy conocía el trabajo de Bolzano pero nunca lo reconoció. Desde luego, ni en las numerosas obras de Cauchy, ni en su correspondencia particular, se ha encontrado ninguna referencia a Bolzano, por lo que la afirmación de Grattan - Guinness, como él mismo reconoce, no está sustentada en pruebas documentales. 5.3.6. Weierstrass nos dio los ε − δ Figura 5.12. Weierstrass Una característica de los textos citados de Cauchy es que en ellos no hay ni una sola figura. Cauchy liberó al cálculo de sus ataduras geométricas, aunque todavía sus definiciones contenían términos imprecisos como “tan pequeño como queramos” y “dis- minuir indefinidamente hasta converger al límite cero”, o ideas de movimiento como “variable que se acerca a un límite” por no ha- blar de sus “infinitamente pequeños”. Para seguir avanzando era necesario acabar de una vez con las distinciones entre número y cantidad. Los números reales todavía eran considerados geomé- tricamente y no se habían establecido sus propiedades de forma explícita. El cero y los números negativos eran vistos aún por mu- chos matemáticos como algo de naturaleza diferente a los números positivos. En definitiva, debía concretarse el significado de expresiones como “cantidad variable” y “variable continua”. También era preciso separar la idea de función de su representación analítica concreta, lo cual, como ya vimos en el Capítulo 2, fue hecho por Dirichlet en 1837 con su definición general de función como correspondencia arbitraria. Finalmente, pero no menos importante, estaban las cuestiones referentes a la convergencia de sucesiones y series numéricas y funcionales, aún mal comprendidas en la época de Cauchy, de las que nos ocuparemos en otro lugar. Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Weierstrass nos dio los ε − δ 176 En los cincuenta años que van de 1830 a 1880 se lograron desentrañar todas estas cuestio- nes fundamentales gracias, principalmente, a los trabajos de Dirichlet, Riemann, Weierstrass, Dedekind y Cantor. Ya conocemos una parte de este complejo proceso, la que culmina en 1872 con la fundamentación del sistema de los números reales por Dedekind y Cantor. Fue Karl Weierstrass (1815 - 1897) quien llevó a sus últimas consecuencias el proceso de “aritmetización del Análisis”. Weierstrass era un desconocido profesor de instituto, cuando en 1854 publicó un trabajo sobre las funciones abelianas que causó sensación en la comunidad ma- temática. Poco después, en 1856, Weierstrass ya era profesor de la Universidad de Berlín. Los cursos que Weierstrass impartió en Berlín durante más de treinta años atrajeron a numerosos matemáticos de toda europa. Discípulos suyos fueron, entre muchos otros menos conocidos, George Cantor (1845 - 1918), Sonya Kovalevsky (1850 - 1891), Max Planck (1858 - 1947) y David Hilbert (1862 - 1943). Weierstrass estaba convencido de que el Análisis debía ser liberado de los razonamientos geométricos y de los conceptos intuitivos de espacio, tiempo y movimiento y debía ser funda- mentado sobre los enteros positivos. Acometió la tarea de revisar radicalmente los conceptos fundamentales del Análisis y a este fin dedicó algunos de sus cursos. Entre otras cosas, de- sarrolló en ellos una teoría aritmética de los números reales parecida a la de Cantor. Aunque Weierstrass no publicó mucho, su influencia fue enorme y sus conferencias magistrales fueron difundidas por toda Europa por sus numerosos alumnos. Weierstrass es considerado como el más grande analista del último tercio del siglo XIX y se le ha llamado “el padre del análisis moderno”. Más adelante tendremos ocasión de exponer algunas de sus contribuciones. Por lo que al concepto de límite funcional se refiere, Weierstrass tradujo por medio de desigualdades y de valores absolutos las definiciones verbales de límite y de continuidad dadas por Cauchy y Bolzano. Para Weierstrass, una variable solamente es un símbolo que sirve para designar cualquier elemento del conjunto de valores que se le pueden atribuir. Una variable continua es aquella cuyo conjunto de valores no tiene puntos aislados. La definición de límite dada por Weierstrass, tal como la recogió en sus notas el matemático H.E. Heine (1821 - 1881) es la siguiente: Se dice que L es el límite de una función f (x) para x = x0 si, dado cualquier ε, existe un δ0 tal que para 0 < δ < δ0, la diferencia f (x0 ± δ) − L es menor en valor absoluto que ε. Cuando una teoría ha sido desarrollada, llega el momento del rigor. Así el concepto de límite, fundamental en cálculo porque en él se basan los de continuidad, derivada, integral y los distin- tos tipos de convergencia, y es el concepto que confiere al cálculo su característica distintiva, solamente pudo ser expresado de forma rigurosa (según nuestros criterios actuales) en el último tercio del siglo XIX, después de haberse estado usando, de forma más o menos disfrazada por los infinitésimos y otros conceptos afines como el movimiento, durante doscientos años. Cu- riosamente, la letra griega ε, que usaba Cauchy con un significado de “error”, se ha convertido en el paradigma de la precisión en nuestras actuales definiciones heredadas de Weierstrass. La flechita en la notación para límites, l´ım f (x), fue introducida por G.H. Hardy (1877 - x→x0 1947) en su notable libro A Course of Pure Mathematics (1908). Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral

Ejercicios propuestos 177 5.3.7. Ejercicios propuestos 171. Considera la función f : R+ → R dada por f (x) = 1 − x 1 E(x) + Donde, como de costumbre, E(x) es la parte entera de x. Estudia los límites en +∞ de las funciones f (x + 1) − f (x) y f (x) x. 5.4. Breve historia del infinito Es conocida la exclamación de David Hilbert ¡El infinito! Ninguna cuestión ha conmovido tan profundamente el espíritu del hombre. Es verdad, el infinito atrae poderosamente nuestra imaginación. ¿Quién no ha gritado en su infancia para devolver un agravio “. . . y tú diez veces más. . . ¡infinitas veces más que yo!”? Es difícil imaginar que el tiempo tuviera un comienzo y también que el espacio sea finito, porque no podemos pensar en una frontera para el espacio tras de la cual no exista más espacio, ni un origen para el tiempo antes del cual no hubiera tiempo. Cualquier respuesta a estas preguntas conduce siempre a nuevas preguntas. Un error típico consiste en creer que si algo fuera infinito debería contener todas las cosas, algo así como el Aleph borgiano. Matemáticamente, es claro que no tiene por qué ser así: los números pares son infinitos y no son todos los números. Algo infinito tampoco tiene por qué ser necesariamente muy grande. El Aleph de la narración de Borges es una pequeña esfera, un conjunto fractal contiene infinitas copias de sí mismo, el veloz Aquiles permanece corriendo sin alcanzar jamás a la tortuga que le lleva unos pocos metros de ventaja. . . . 5.4.1. La idea de infinito en la filosofía y la matemática Griegas 5.4.1.1. Las aporías de Zenón de Elea ¡Zenón, cruel Zenón, Zenón de Elea! Me has traspasado con la flecha alada. Que, cuando vibra volando, no vuela. Me crea el son y la flecha me mata. ¡Oh sol, oh sol! ¡Qué sombra de tortuga Para el alma: si en marcha Aquiles, quieto! Paul Valery Un griego llamado Zenón, del que se sabe muy poco y de forma indirecta a través del Parménides de Platón, cuyo nacimiento se fecha hacia el año 490 a.C en la ciudad de Elea en el sur de Italia, y que fue discípulo de Parménides, sigue manteniendo desde hace 2300 años su permanente desafío a la razón. Te recuerdo que, según Parménides, el ser es necesariamente uno, eterno, continuo, indi- visible e inmutable. Los cambios, transformaciones y multiplicación de los seres, son meras Universidad de Granada Prof. Javier Pérez Dpto. de Análisis Matemático Cálculo diferencial e integral